Kälteerzeugung aus Wärme. Workshop Energieeinsparung und Optimierungsansätze im Bäckerei- und Konditorhandwerk

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1 Kälteerzeugung aus Wärme Workshop Energieeinsparung und Optimierungsansätze im Bäckerei- und Konditorhandwerk

2 ILK Dresden Forschungsunternehmen 1991 Gründung als ggmbh Mitarbeiter: 130 Akademiker: 72 % Durchschnittsalter: 44 Jahre Versuchsfläche: 3070 m² Versuchsanlagen: 56 Phys. / Chem. Labors: 25 Forschung & Entwicklung FuE-Dienstleistungen Prototyp Geräte- und Anlagenbau Technologietransfer ~ 10 Mio. FuE-Umsatz/Jahr Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 2

3 Wärmequellen für die thermische Kälteerzeugung I Wärme aus Stromerzeugungsprozessen (Heizwasser, Dampf, Abgas) - KWKK - primärenergetisch günstig - häufig hohe Auslastung (ganzjährig) der KWK-Anlage erreichbar - Temperaturniveau abhängig von Stromerzeugungstechnologie (Motor, Gasturbine, Rankine, Brennstoffzelle ) Fernwärme - i.d.r. auch Wärme aus Stromerzeugung, s.o. - Absenkung der Netztemperatur im Sommer ungünstig für thermische Kälteerzeugung - geringe Auskühlung des Wärmeträgers problematisch (-> Rücklauftemperatur) Prozesswärme/Abwärme - unterschiedliche Temperaturniveaus - zeitliche Übereinstimmung von Angebot und Bedarf wichtig -> Speicherbedarf? Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 3

4 Wärmequellen für die thermische Kälteerzeugung II Solarthermie - meist gute jahreszeitliche Kongruenz von Klimakältebedarf und Strahlungsangebot - Nutzung der sommerlichen Überschusswärme von heizungsunterstützenden ST-Anlagen - i.d.r. Back-up für Kälteerzeugung notwendig Erdgas und sonstige fossile Brennstoffe in Direktfeuerung - primärenergetisch oft ungünstig, Prozessführung entscheidend - Alternative bei fehlendem Stromnetz oder mangelnder Leistungsfähigkeit Weitere: (tiefe) Geothermie; Holz Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 4

5 Motorische Blockheizkraftwerke Zwei Temperaturniveaus - getrennte Nutzung höhere Effizienz; höhere Investitionskosten - gemeinsame Nutzung geringere Effizienz, niedrigere Investitionskosten Motor-/Schmierölkühlung: 60 80% der Gesamtwärme - typisch: 85 C/75 C - Rücklauftemperatur (niedrigere) entscheidend für Motorkühlung und thermische Kälteerzeugung - heißgekühlte Motoren möglich (z.b. 95 C/90 C) Abgas: 20 40% der Gesamtwärme - Abgas-Austrittstemperatur ca. 500 C - Abkühlung des Abgases auf z.b. 180 C - Anpassung der sekundärseitigen Temperaturen möglich Sonans Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 5

6 Sorptionskälte in Energieverbundsystemen B.KWK Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 6

7 Energieflussbild der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Fa. EAW Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 7

8 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 Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 8

9 Absorptionsund Kompressionskälteprozess im Vergleich Absorptionskälteprozess Q& ζ = 0 Q& H Kompressionskälteprozess ε = Q& 0 Pel Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 9

10 Aufbau klassischer H 2 O/LiBr - Absorptionskältemaschinen Verflü ssiger tc~45 C ~37 C Austreiber ~70 C ~95 C to~4 C Heizmittel Aus Heizmittel Ein 6 C Verdamp fer 12 C Absorber ~27 C ta~35 C ~50 C Fa. York Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 10

11 Funktionsweise von Absorptionskältemaschinen Animation Absorptionkälteprozess Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 11

12 Einflussgrößen auf die energetische Bewertung von thermischen Kältemaschinen Hauptantriebsquelle: Wärme Herkunft entscheidet über Primärenergiefaktor Zusätzlich: Strom zum Antrieb interner Pumpen sowie Regelung etc. (0,5 3% der Kälteleistung) Zusätzlich für Gesamtsystem (Hilfsenergiebedarf): - Pumpen für Heiz-, Kühl- und Kaltwasser - Ventilator für Rückkühlwerk Bei DEC-Systemen: - Ventilatoren zur Förderung der Zu- und Abluft - Pumpe für Heizwasser - ggf. Ventilator für Regenerationsluft Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 12

13 Absorption Temperatureinfluss auf die Kälteleistung Cooling capacity [kw] V KaWa = 2,14 m 3 /h; V HeWa = 1,74 m 3 /h; V KüWa = 4,9 m 3 /h V rlsg = 400 l/h; t KüWa,Ein = 30 C ILK Dresden Temperature chilled water out: 17 C 15 C 13 C 11 C 9 C 7 C Temperature Heating water, inlet [ C] Externe Temperaturen bestimmen maßgeblich die Anlagengröße und damit die Investitionskosten Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 13

14 Einsatzbedingungen von Absorptionskältemaschinen 120 R B : t c =t A B =34 C ; t HW, a =t G ; t K T,a =t o +3K ; µ r L,max =1 6; η A B S =0,5; ν =0,9; t LWÜ =5K 0, ζ 0,6 100 t H W,a 0,575 t H W,a [ C] ,55 0,525 real [ - ] 70 0,5 Am m o n ia k/w a s s e r 60 0, t K T,a [ C] Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur (gültig für SE- Absorptionskreisprozesse mit Ammoniak/Wasser) Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 14

15 Einsatzbedingungen von Absorptionskältemaschinen 100 R B : t c =t AB =34 C ; t HW,a =t G +2K; t KT,a =t o +3K; η ABS =0,5; ν =0,9; t LWÜ =5K 0,80 95 m rl,max=16 m rl,max= ,75 th W,a [ C] ζ 0,70 ζ real [ - ] 70 t H W 0, Was s er/lithium brom id t K T,a [ C] 0,60 Abhängigkeit der Heizmedienaustrittstemperatur von der Kälteträgeraustrittstemperatur (gültig für SE- Absorptionskreisprozesse mit Wasser/Lithiumbromid) Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 15

16 Thermische Kälteanlagen kleiner Leistung I Pink/Solarnext, 12 kw, ammonia/water Quelle: Uli Jakob Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 16

17 Thermische Kälteanlagen kleiner Leistung II ClimateWell, Sweden (10 kw) Quelle: Uli Jakob Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 17

18 Vergleich - Investitionskosten Henning et.al. Kostenvergleich von Kompressions- und Sorptionskälteanlagen (inklusive Rückkühlung) Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 18

19 Absorptions-Kompressions-Kaskadenkälteanlage Hintergrund Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau (~85 C) vie lfach verfügbar Anwendungen mit ganzjährigem Kältebedarf meist bei niedrigen Kältenutztemperaturen (-30 C] Temperaturniveau der Antriebswärme für direktes Erreichen der Nutztemperatur nicht ausreichend Technologischer Ansatz: Absorptions-Kompressions-Kaskadenanlage Erzeugung von Tieftemperaturkälte (-30 C) unter Nut zung von niedertemperierter Abwärme erhebliche Elektroenergieeinsparungen bei der Tiefkälteerzeugung möglich (> 50 %) ->Jahresleistungszahl der Kompressionsstufe steigt von 2,4 auf 7,4 Erweiterung des Anwendungsspektrums der Ab-/Fernwärmenutzung mit AKM Stand und Ausblick Erfolgreiche Demonstration im Technikum Vorbereitung und Umsetzung eines Pilotprojektes Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 19

20 Anlagenbeispiel Biogas-KWKK in Landwirtschaft Biomasse Input Milch Vorkühlung Warmwasser Stallklimatisierung Nutzwärme Behälterheizung Prozesswärme Kaltwasser Biogas Fa. EAW Elektrische Energie Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 20

21 Anlagenbeispiel Biogas-KWKK in Landwirtschaft Landwirtschaftliches Unternehmen Schweinemaststallkühlung, 250 Mastschweine Milchvorkühlung l/tag - Absorptionskälteanlage WEGRACAL SE 50 - Kälteleistung 54 kw Fa. EAW Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 21

22 Anlagenbeispiel Gewerbliche KWKK Frasaco GmbH in Tettnang Absorptionskälteanlage Kälteleistung: 54 kw Erdgas-BHKW Elektrische Leistung: 30 kw Fa. EAW Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 22

23 Anlagenbeispiel Autarke Energieversorgung für Industriekomplex Fa. EVC Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 23

24 Anlagenbeispiel Normalkühlung für Kartoffellager I AGO Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 24

25 Anlagenbeispiel Normalkühlung für Kartoffellager II AGO Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 25

26 Anlagenbeispiel Normalkühlung für Kartoffellager III Landwirtschaftliches Unternehmen Lohwiesenhof, Pforzheim Ganzjährige Kühlung Kartoffellager (+2 C) Biogas BHKW Ammoniak/Wasser Absorptionskälteanlage Kälte: 50 kw; -3 C/1 C Heizung: 87,2 kw; 95 C/85 C Rückkühlung: 140 kw; 25 C/30 C Elektro: 400 V, 50 Hz., 3 ph. Leistungsaufnahme: 1,6 kw (3,3% Θ 0 ) Betriebsmittel Kältemittel: Ammoniak (40 kg) Lösungsmittel: Wasser (28 kg) Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 26

27 Anlagenbeispiel Solare Kühlung Mirroxx, Germany Kälteerzeugung aus Wärme - M.Safarik 27

28 Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee 20, Dresden Mathias Safarik Tel.: / mathias.safarik@ilkdresden.de