Nachhaltige Kältetechnik Kälte aus Abwärme und erneuerbaren Energien

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1 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Nachhaltige Kältetechnik Kälte aus Abwärme und erneuerbaren Energien

2 ILK Dresden Forschungsunternehmen 1991 Gründung als ggmbh Eigenkapital: 2,6 Mio. Anlagevermögen: 3,4 Mio. Mitarbeiter: 130 Akademiker: 72 % Durchschnittsalter: 45 Jahre Versuchsfläche: 3070 m 2 Versuchsanlagen: 56 Phys. / Chem. Labors: 25 2

3 ILK Geschäftsfelder Forschung & Entwicklung FuE-Dienstleistungen Prototyp Geräte- und Anlagenbau Technologietransfer 10 Mio. FuE-Umsatz/Jahr > 60 FuE-Projekte/Jahr > 400 Kunden/Jahr Technologietransfer Forschung & Entwicklung FuE Dienstleistungen Entwicklung + Bau Prototypen 3

4 ILK Dresden Struktur und Forschungsrichtungen Kryotechnik und Tieftemperaturphysik Kälte- und Wärmepumpentechnik Luft- und Klimatechnik Angewandte neue Technologien Angewandte Energietechnik Kryotechnik Kryokühler, Kryostate Kryo- Systeme, GfK Tieftemperaturphysik Wärme-Kraft- Anlagen Wasserstoff-Technik He-II, mk-kühlung TT Sensorik, Analytik Biotechnologie Biomaterialien Kryokonservierung Kryomedizin Lebensmittelkühlung Kompressionskälte Eff. Kälteerzeugung Haushaltkälte Wärmepumpen KM Verdichter TD Stoffdaten, Software Kälteanlagen/ Komponenten Wärmeübertrager Reglungssysteme CO2- Kältetechnik Wiss. Anlagenbau Klimatechnik Raumlufttechnik TGA, Solare Klimatisierung Akustik Fluiddynamik Wärmeübertragung Luftreinhaltung Filtration, Feinstaub Aerosoltechnologie Komb. Abscheidung Biomassenutzung Schadst.monitoring Analytik Stoffwerte KM-Öl Dichtheit KM- Werkstoff Wasser-Werkstoff Neue Technologien/ Werkstoffe MSR, Sensorik Photovoltaik Therm. Speicher R718 Kältetechnik Kaltwassersätze Wärmepumpen Eiserzeugung Wasseraufbereitung Wasserentsalzung Stofftrennung Energiesysteme Rationelle Energieverwendung Absorptionskälte Kraft-Wärme-Kälte Solare Systeme WP Anwendungen 4

5 Energiebedarf für Kälteerzeugung in Deutschland Es gibt über 100 Millionen Kälteanlagen! Anteil Endenergie (ELT) 14% Anteil Primärenergie 5,8% Primärenergiebedarf Klimatisierung 21,7% Sonstige 2,2% Nahrungsmittel 67,0% 9,1% Industrie Quelle: DKV- Statusbericht Nr. 22 5

6 Ozon Zerstörungspotenzial ODP Umwelteinfluss von Kältemitteln 1 0,9 0,8 R11 R Erfasst sind nur die Wirkungen bei Leckagen und der Entsorgung des Kältemittels in die Atmosphäre 0,06 0,04 R22 Luft Propan Butan Ammoniak CO 2 Wasser 0, Treibhauspotenzial GWP Umweltfreundliche Kältemittel sind natürliche Stoffe 6

7 Kompressionskälteprozess Abwärme Q C Kondensieren Antriebsenergie Entspannen Verdampfen Verdichten P el Q 0 Nutzenergie Mechanischer Kompressor 7

8 Absorptionskälteprozess Q C Kondensieren Austreiben Entspannen Verdampfen Pumpen P el Absorbieren Q 0 QA thermischer Kompressor 8

9 Adsorptionskälteprozess Zyklus 1 Zyklus 2 Q C Adsorbieren Kondensieren Desorbieren Verdampfen QA QHeiz Q 0 9

10 Energieeffektivität von Kälteprozessen Verglichen mit einem theoretischen, verlustfreien Prozess liegt die Energieeffektivität von Kälteprozessen zwischen 10% und 30% (Bei Berücksichtigung aller Hilfsantriebe wie Pumpen, Ventilatoren, ) Der Kälteprozess alleine erreicht eine energetische Güte zwischen 40% und 60% verglichen mit einem Idealprozess. Die energetische Verbesserung erfordert also nicht nur bessere Kältemaschinen sondern bessere Systeme 10

11 Energetischer Vergleich unterschiedlicher Kälteverfahren: Aus 100% Brennstoff werden Kompressions- - Brennstoff Kraftwerk Elektroenergie Kältemaschine 140 % Brennstoff Brenner Wärmeenergie Ab sorptions- - Kältemaschine Ad sorptions- - Kältemaschine DEC Anlage % Ab sorptions- - Wärmeenergie Kältemaschine Brennstoff BHKW % Kompressions- Elektroenergie Kältemaschine helt = 0,35 hkessel = 0,80 s = 0,50 x = 0,7...1,1 e = 4 11

12 Kältetechnik mit natürlichen Kältemitteln Wasser wird genutzt zur Wasserkühlung in Absorptionskälteanlagen (seit 1860) Adsorptionskälteanlagen (seit 1925) Dampfstrahlkältemaschinen (seit 1900) Kompressionskälteanlagen (seit 1999) 12

13 Wasser als Kältemittel im ILK Dresden Laborversuchsanlage (10kW) 1991 Demonstrationsanlage (60KW) 1993 Großversuchsanlage (500kW) 1994 Dauerlaufanlage 1996 Zweistufige Großversuchsanlage (500kW) 1997 Fertigungsbeginn + CargoLux (1X430kW) 1999 Uni Essen Kälteversorgung (800kW) 1999 EXPO Kälteversorgung (600kW) 1999 Daimler Chrysler Düsseldorf (4X1000kW) 2000 VW Manufaktur Dresden (2X1000 kw) 2001 Kaltwassersatz zur Kühlung von Bürogebäuden und des Flugsimulators CargoLux Luxembourg 13

14 Wasser als Kältemittel im ILK Dresden Laborversuchsanlage (10kW) 1991 Demonstrationsanlage (60KW) 1993 Großversuchsanlage (500kW) 1994 Dauerlaufanlage 1996 Zweistufige Großversuchsanlage (500kW) 1997 CargoLux (1X430kW) 1999 Uni Essen Kälteversorgung (800kW) 1999 EXPO Kälteversorgung (600kW) 1999 Daimler Chrysler Düsseldorf (4X1000kW) 2000 VW Manufaktur Dresden (2X1000 kw)

15 Wasser als Kältemittel im ILK Dresden Laborversuchsanlage (10kW) 1991 Demonstrationsanlage (60KW) 1993 Großversuchsanlage (500kW) 1994 Dauerlaufanlage 1996 Zweistufige Großversuchsanlage (500kW) 1997 CargoLux (1X430kW) 1999 Uni Essen Kälteversorgung (800kW) 1999 EXPO Kälteversorgung (600kW) 1999 Daimler Chrysler Düsseldorf (4X1000kW) 2000 VW Manufaktur Dresden (2X1000 kw)

16 Ergebnis ILK Entwicklung in den Neunzigerjahren 25 C 12 C Zwischenkühler direkter Kondensator direkter Verdampfer 30 C 12 C Turbo- Verdichter 2. Stufe Turbo- Verdichter 2. Stufe Weltweit erster Kaltwassersatz mit Turboverdichtern entwickelt im ILK Dresden Nachweis von Machbarkeit und Praxistauglichkeit der Kältetechnologie in 6 Standorten in Deutschland und Luxemburg Erweiterte Markteinführung mit Kleinunternehmen war jedoch zunächst gescheitert 16

17 Turboverdichter für Wasser als Kältemittel

18 Kaltwassersatz mit Wasser als Kältemittel, 3. Generation Baureihe Turbo KWS kw AQUAQUANTUM Verbundprojekt zwischen COFELY Refrigeration und ILK Dresden Prototyp Q 0 = 800kW, IBN 2011 Erste Feldanlagen

19 Wärme getriebene Kälteverfahren 19

20 Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung Thermische Systeme Wärmetransformation Thermomechanische Prozesse Thermokinetische Prozesse Offene Systeme Geschlossene Systeme Rankine Cycle/Kompressor Dampfstrahl- KM Feststoffsorbentien Flüssige Sorptionsmittel Feststoffsorbentien Flüssige Sorptionsmittel Adsorption Trockenabsorption Marktreife Anlagen Einzelanwendungen Prototypen 20

21 Vergleich - Investitionskosten Henning et.al. Kostenvergleich von Kompressions- und Sorptionskälteanlagen (inklusive Rückkühlung) 21

22 Absorptions- Kälteanlagen Nutztemperaturen Kühltemperatur 10 C...4 C)* Heiztemperatur 75 C C C)** C C )** C C )** C je niedriger die geforderte Kühltemperatur einer Absorptionskälteanlage, um so höher muss die Heiztemperatur sein Arbeitsstoffe: )* Wasser- Litiumbromid- Lösung )**Ammoniak- Wasser- Lösung 22

23 Absorptionskälteanlagen kleiner Leistung Pink/Solarnext, 12 kw, ammonia/water Quelle: Uli Jakob 23

24 Adsorptionsanlagen kleiner Leistung für solare Kühlung ClimateWell, Sweden (10 kw) Quelle: Uli Jakob 24

25 Absorptionskälteanlagen kleiner Leistung NH3/Wasser 50 kw NH3/H2O-AKM (AGO AG) 15 kw NH3/H2O-AKM (ILK Dresden) Fa. AGO AG 25

26 Beispiele für Kraft- Wärme-Kälte- Kopplung Biomasse-Input Nutzwärme Behälterheizung Konventionelles System: Nutzung des Biogases im BHKW Erzeugung elektrischer Energie Saisonale Wärmenutzung Elektrische Energie Biogas Wärmebedarf zu niedrig für einen wirtschaftlichen Betrieb Quelle: WEGRA Westenfeld 26

27 Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung in der Landwirtschaft Vorkühlung Biomasse Stallklimatisierung Kaltwasser Heizwärme Elektrische Energie Quelle: WEGRA Westenfeld 27

28 Kälte aus Abwärme in der Landwirtschaft Stallklimatisierung Zusätzliche Gewichtszunahme von ca. 60 g pro Tag und Tier Verringerung der Tierverluste Verringerung der Ammoniak- und CO2-Emissionen um ca. 40 % Milchvorkühlung Verbesserung der Energiebilanz Keimverhinderung durch Sturzkühlung Redundanz der Kühlleistung 28

29 Wasser als Kältemittel-Eiserzeugung und Speicherung Warum Kälte Speichern? Ausgleich zwischen Erzeugerleistung und Kältebedarf Spitzenlastreduktion Stark schwankender Kältebedarf Nutzen von Niedrigtarifperioden zur Kälteerzeugung (Nachtstrom) 29

30 Versuchsanlage Vakuumeiserzeuger und Eisspeicher im ILK Dresden Thermodynamische Parameter der Anlage Verdampfungstemperatur: -2 0 C Verdampfungsdruck: 600 Pa Verdampferleistung: 50 kw Verdichterantriebsleistung: 5 kw Verdichtervolumenstrom: 4.7 m³/s max. Speicherentladeleistung 300 kw max. Speicherkapazität: 350 kwh bei Eiskonzentration: 50 % Speichervolumen: 6.6 m³ 30

31 Size [m] Size an capacity Cold water storage 1MWh 25,0 20,0 15,0 size of storage with a diameter of 3,0 m ice concentration 0% 10,0 10% 5,0 0, storage capacity [kwh] 50% Ice slurry storage 1MWh 31

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34 Wasserreinigung, Wasserentsalzung 34

35 Wasseraufbereitung mit Abwärme Wasserreinigung / Trinkwassergewinnung Tagesleistungen 1 10 m³ Destillat Wärmeleistung 10 kw 100 kw Heiztemperatur maximal! 65 C ILK Dresden MED- Versuchsanlage am ILK Dresden 35

36 Zusammenfassung Nachhaltige Kältetechnik ist im System energieeffektiv und nutzt ökologische Arbeitsstoffe Jede Kältemaschine ist eine Wärmepumpe Absorptionskälteanlagen erfordern höhere Investitionen als Kompressionskälteanlagen Absorptionskälteanlagen sind wichtiger Bestandteil dezentraler Energieversorgung KWKK KWK wird häufig erst durch die Wärmenutzung für Kälteprozesse wirtschaftlich darstellbar Mit Kältetechnischen Verfahren kann Energie gespeichert und Wasser gereinigt werden 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.-Ing. P. Albring Tel.: / Fax: / peter.albring@ilkdresden.de www: