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Beschreibung der Kälteerzeugung unter Berücksichtigung der möglichen Rückkühlungsvarianten, der Kälteverteilung sowie der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Der erhöhte Kältebedarf der Industrie und die steigende Nachfrage nach Kälte zur Klimatisierung von Büro- und Verkaufsflächen aufgrund der geänderten Architektur (Glasfassaden) sowie den klimatisch bedingten steigenden Temperaturen in Europa führen zu dem verstärkten Einsatz von lokalen Kälteerzeugungsanlagen. Diese Entwicklung erfordert aufgrund des hohen Strombedarfes der Kälteproduktion insbesondere in den Sommermonaten die Entwicklung von innovativen und energieeffizienten Kälteerzeugungskonzepten unter Berücksichtigung der jeweiligen Rahmenbedingungen.
Die zentrale Versorgung mehrerer Abnehmer mit Kälte sowie die Forcierung von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen mittels Absorptionskältemaschinen stellen diesbezüglich zwei vielversprechende Alternativen dar, die zu einer wesentlichen Reduktion des Stromverbrauchs zur Kälteerzeugung führen können und die Nutzung von erneuerbarer Energie aus Biomasse oder Abwärme für die Kälteerzeugung ermöglichen.
Die Errichtung von Kältezentralen stellt insbesondere in Ballungsräumen, wo lokal mehrere potentielle Kältekunden (Bürokomplexe, öffentliche Gebäude, Einkaufszentren, Bahnhöfe, Spitäler, …) situiert sind eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Alternative zu herkömmlichen dezentralen Kälteerzeugungsanlagen (Splitgeräte) dar. Insbesondere dann, wenn die Kälteerzeugung zu einem überwiegenden Teil mittels Absorptionskältemaschinen bzw. in den kühleren Monaten über Free-Cooling-Anlagen erfolgt.

Grundsätzlicher Aufbau einer Kältezentrale

Abbildung 1 zeigt den möglichen Aufbau einer Kältezentrale auf Basis von Absorptions- und Kompressionskältemaschinen sowie verschiedener Rückkühltechnologien.

Abbildung 1: Möglicher Aufbau einer Kältezentrale

Als Hauptkomponenten einer Kältezentrale sind die Kälteerzeugung, die Rückkühlung und die Kälteverteilung anzusehen und nachfolgend kurz beschrieben:

  • Kälteerzeugung: Zur Kälteerzeugung stehen grundsätzlich drei unterschiedliche „Antriebsenergien“ zur Verfügung:
    • Elektrischer Strom: Dieser dient als Antriebsenergie für Kompressionskältemaschinen zur Kälteerzeugung in einem geschlossenen Kreisprozess. Mittels eines Verdichters (Kolben- Scroll- Schrauben- Turbokompressor) wird das Kältemittel (z.B. Ammoniak, R134a) verdichtet und danach im Verflüssiger unter Abgabe von Wärme an des Rückkühlkreis verflüssigt. Durch die nachfolgende Drossel wird das Kältemittel entspannt und anschließend im Verdampfer unter Aufnahme von Wärme aus dem Kältekreisrücklauf (z.B. Wasser, Glycol, Ammoniak) verdampft. Das dampfförmige Kältemittel wird wieder in den Verdichter zurückgeführt.
    • Wärme: Bei Absorptionskältemaschinen dient Wärme in Form von Dampf oder Heißwasser als Antriebsenergie für den thermodynamischen Kreisprozess. Als Wärmequelle kann Fernwärme, Wärme aus Heiz-(kraft)-werken, industrielle Abwärme oder auch solare Wärme genutzt werden. Das Arbeitsmittel der Absorptionskältemaschine besteht aus zwei Komponenten, einem Lösungsmittel und dem Kältemittel. Das Kältemittel muss im Lösungsmittel vollständig löslich sein. Absorptionskältemaschinen mit Wasser als Kältemittel und einer wässrigen Lithiumbromid (LiBr)-Lösung als Lösungsmittel erreichen durch Vakuumbetrieb Kaltwassertemperaturen bis ca. 3°C (Mindesttemperatur der Antriebswärme ca. 80°C). Tiefere Temperaturen (bis zu -70°C) können Absorptionskältemaschinen erreichen, die NH3 als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel einsetzen, wobei hierfür wesentlich höhere Antriebstemperaturen erforderlich sind. Weiters gibt es auch Adsorptionskältemaschinen und Diffusionskältemaschinen, die ebenfalls über eine Wärmequelle mit Energie zu versorgen sind.
    • Free-Cooling: Statt einer Kältemaschine wird zwischen den Rückkühl- und Kältekreis ein Wärmetauscher geschaltet und der Kältekreis direkt durch die Rückkühlung gekühlt. Es ist also keine Antriebsenergie für eine Kältemaschine erforderlich. Abhängig von der Art der Rückkühlung und der erforderlichen Vorlauftemperatur kann diese Technologie nur in der Übergangszeit bzw. den Wintermonaten angewandt werden.
  • Rückkühlung: Die den Kältemaschinen über den Kältekreis und die Antriebsenergie zugeführte Energie muss mittels eines Rückkühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben werden. Grundsätzlich kann dies über die gängigen Kühlsysteme erfolgen:
    • Flusswasserkühlung
    • Geschlossene Kühltürme
    • Offene Kühltürme
    • Hybridkühltürme

Für die Auswahl der geeigneten Rückkühlung spielen Kriterien wie das vorherrschende Klima, Vorgaben bez. Hygiene, bauliche Einschränkungen, die Platzsituation sowie die Verfügbarkeit von erforderlichen Verbrauchsstoffen und Betriebsmittel (z.B. Frischwasser) eine wesentliche Rolle. Weiters ist zu beachten, dass beim Einsatz von Absorptions- bzw. Adsorptionskältemaschinen sich der spezifische Rückkühlbedarf gegenüber Kompressionskältemaschinen verdoppelt.

  • Kälteverteilung: Im Unterschied zur Wärmeverteilung können bei der Kälteverteilung nur wesentlich geringere Temperaturspreizungen zwischen Netzvor- und Netzrücklauf erzielt werden, wodurch die erforderlichen Wassermengen bei gleicher Leistung wesentlich ansteigen und die Verlegung von größeren Rohrdimensionen erforderlich machen. Dadurch ist bei Kältenetzen mit wesentlich höheren Investitionskosten (Rohrdimension) und Betriebskosten (erhöhter Pumpaufwand) gegenüber Fernwärmenetzen mit ähnlicher Leistung und Verteilstruktur zu rechnen. Zur Gebäudeklimatisierungen, die einen Großteil der Anwendungen ausmachen, werden üblicherweise Vorlauftemperaturen zwischen 6 und 12°C benötigt. Um die bei der Klimakälteversorgung auftretenden hohen und kurzen Spitzenleistungen abfedern zu können ist bei der Planung die Integration eines Kältespeichers in das Verteilsystem zu berücksichtigen. Dadurch kann die erforderliche Leistung der Kältemaschinen reduziert und die Kälteproduktion einer allenfalls vorhandenen der Absorptionskältemaschine entsprechend erhöht werden.

Abhängig von den vorherrschenden Rahmenbedingungen des jeweiligen Standortes, unterliegt die Anlagentechnik unterschiedlichen Vorgaben und ist entsprechend anzupassen und zu optimieren.

Entscheidend für die Wahl der Anlagentechnik sind folgende Einflussfaktoren:

  • Kältekundenart, Kundenstruktur: Abhängig von der Kundenart (Klima- oder Prozesskälte), der erforderlichen Einzelleistungen und dem internen Kälteverteilsystem kann die erforderliche Gesamtleistung und die erforderliche Kältekreisvorlauftemperatur bestimmt werden.
  • Abnahmeverhalten der Kältekunden: Der Tages-, Wochen-, Monats- und Jahreslastgang der einzelnen Abnehmer ist entscheidend für die Maschinenstückelung und die Leistungsaufteilung auf die unterschiedliche Kältemaschinenarten sowie, insbesondere wenn ganzjährig Kälte bezogen wird, die Nutzung des Free-Cooling-Betriebes.
  • Verfügbare Energieträger: Besteht ein Fernwärmeanschluss oder ist eine (Ab)Wärmequelle verfügbar, so kann diese zur Erzeugung von Kälte mittels Absorptions/Adsorptionskältemaschinen herangezogen werden.
  • Standort und Platzsituation: Insbesondere in Bezug auf die erforderliche Rückkühlung der Kältezentrale ist die Wahl eines geeigneten Standortes von entscheidender Bedeutung. Entweder besteht die Möglichkeit die Abwärme über ein Gewässer abzuführen, oder es muss ausreichend Platz für die Positionierung der Rückkühlereinheiten (offen oder geschlossen Kühltürme) berücksichtigt werden. Weiters sollten die Kälteversorgungsleitungen zu den Kunden möglichst kurz ausfallen.

Grundsätzlich ist eine detaillierte Datenerhebung der potentiellen Kältekunden als Basis für eine exakte Dimensionierung der Kälteerzeugungsanlage erforderlich. Nur durch Vergleich verschiedener Varianten in Bezug auf Kälteerzeugung, Rückkühlung und Kälteverteilung mit einem Referenzszenario und mittels einer Vollkostenrechung der Kälteproduktionskosten kann anschließend eine technisch und wirtschaftlich optimierte Anlagenvariante ausgewählt werden.

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Die Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung stellt eine Erweiterung der Kraft-Wärme-Kopplung dar. Durch die Nutzung von Abwärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung in einer Absorptionskältemaschine wird die Auslastung der Stromerzeugungsanlage (z.B. auf Basis des Dampfturbinenprozesses oder des ORC-Prozesses) erhöht und gleichzeitig der Einsatz von el. Energie für eine herkömmliche Kältemaschine reduziert. Diese Technologie wird insbesondere für industriellen Kühlanwendungen und Fernkältesysteme angewendet.
Die Nutzung von Wärme von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf Biomassebasis oder von Abwärme ermöglicht eine CO2-neutrale Produktion von Kälte auf Basis erneuerbarer Energieträger.
Aufgrund der Komplexität des Systems ist großes Augenmerk auf eine fachgerechte Planung zu achten und eine detaillierte Evaluierung des erforderlichen Wärme- und Kältebedarfs der zu erwartenden Tages- und Jahreslastgänge der Wärme und Kälteverbraucher sowie der erforderlichen Temperaturniveaus durchzuführen.

Fussach
Literatur