In der Welt des Lebensmitteleinzelhandels sind transkritische CO2-Verbundanlagen heutzutage nicht mehr wegzudenken – vielmehr sind sie der Standard, da diese Applikation als Boosterschaltung den Bedarf an Normalkühlung und Tiefkühlung optimal deckt. Kohlenstoffdioxid (CO2) wurde bereits Mitte des 19. Jahrhunderts als Kältemittel eingesetzt und bietet neben seinen hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften zahlreiche Vorteile. Beispielsweise ist es weder brennbar noch giftig, wodurch es sich ideal für den Einsatz in öffentlich zugänglichen Räumen eignet.
Die konventionelle Kältetechnik steht heute besonders auf dem Prüfstand, da synthetische Kältemittel kontinuierlich durch umweltverträglichere Alternativen ersetzt werden müssen. Hier bietet sich eine natürliche Lösung an, da mit diesen keine weiteren Einschränkungen in der Zukunft zu erwarten sind. Abgesehen vom GWP der Kältemittel rücken zunehmend auch Aspekte der menschlichen Gesundheit in den Vordergrund – Stichwort TFA-Anreicherungen im Trinkwasser. Diese in die PFAS-Stoffgruppe fallende Säure bildet sich besonders stark durch freigesetzte HFO-Kältemittel in der Atmosphäre und reichert sich über Regen im Grundwasser an. Zudem können Freisetzungen während der Kältemittelproduktion das Trinkwasser kontaminieren. Einmal im Trinkwasser gelöst, reichert es sich über die Nahrungskette oder durch direktes Trinken im menschlichen Körper an, was beispielsweise zu einer erhöhten Krebsentwicklung führen kann.
Da CO2 als Kältemittel R 744 weder nennenswerte Auswirkungen auf das Klima hat noch ökologische Nachteile aufweist – vielmehr kann es direkt von der Umwelt in den Stoffkreislauf aufgenommen werden – rückt es zunehmend in den Fokus neuer kältetechnischer Anwendungen. Vor einigen Jahren waren speziell an die höheren Drucklagen angepasste Komponenten für R 744 noch etwas Exotisches, doch durch die deutliche Kommerzialisierung von CO2-Verbundanlagen im LEH sind diese besser verfügbar und kostengünstiger geworden. Darüber hinaus ist das Leistungsspektrum von CO2-Komponenten wie Kompressoren und Ventilen deutlich gestiegen.
Auch für Betreiber bieten CO2-Anlagen einige Vorteile. Die Aufstellungsbedingungen sind deutlich vereinfacht im Vergleich zu Anlagen, die beispielsweise mit Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen betrieben werden. Ein neuer Faktor ist die zukünftig auftretende Nachweispflicht für mittlere und große Unternehmen bezüglich direkter und indirekter Emissionen ihrer Wertschöpfungskette. Hier können einerseits CO2-Kälteanlagen die indirekten Emissionen der Produktion reduzieren; andererseits können fossile Energieträger durch CO2-Wärmepumpen abgelöst werden, die ganzheitlich zur Erreichung von Net-Zero-Zielen beitragen.
Ansätze für Kaltwasser- und Wärmepumpen
TEKO hat sich bereits vor einiger Zeit Gedanken über den richtigen Einsatz und die passende Adaption der CO2-Technologie gemacht, um den wachsenden Markt im Bereich Kaltwasser und Wärmepumpen gerecht werden zu können. Dabei konzentrierte sich das Unternehmen auf die essenziellen Anforderungen in diesem Markt und begann mit der Entwicklung neuer Produkte.
Transkritische CO2-Anlagen sind aufgrund ihrer zweistufigen Expansion und des Flashgas-Bypasses recht komplex aufgebaut. Diese Anlagentechnik ist jedoch erforderlich, um die im Sommer benötigte überkritische Betriebsweise zu gewährleisten, da das CO2 bei hohen Umgebungstemperaturen nicht mehr verflüssigt, sondern nur enthitzt werden kann. Supermärkte verfügen zudem über ein umfangreicheres Rohrnetz als es für Wärmepumpen- oder Kaltwasseranwendungen benötigt wird.
Aus diesem Grund hat TEKO ein System entwickelt, das nur eine einstufige Hochdruckentspannung nutzt, um es so einfach und verständlich wie möglich zu halten. Zur Effizienzsteigerung kommen hierbei Ejektoren zum Einsatz, die den Hochdruck entspannen und dadurch am Sauganschluss das Gas aus den Verdampfern absaugen. Dieses Verfahren, bei dem der Kältemittelmassenstrom vom Verdampfer durch den Ejektor gefördert wird, wird als Low-Lift-Ejektorbetrieb bezeichnet. Die Ejektoren tragen dazu bei, Energie aus dem Kompressionsprozess der Verdichter zurückzugewinnen. Dadurch können die Verdichter mit einem etwas höheren Saugdruck betrieben werden – was zu einem Effizienzgewinn führt.
Zusätzlich haben Ejektoren gegenüber Kompressoren den Vorteil, dass sie am Sauganschluss unempfindlich gegenüber flüssigem Kältemittel sind. Die Verdampfer können daher dauerhaft im überfluteten Betrieb genutzt werden. Um die Kompressoren vor flüssigem Kältemittel zu schützen und um die Flüssigkeit bestmöglich abzuscheiden sowie den Verdampfern zur Verfügung stellen zu können, hat TEKO einen speziellen CO2-Abscheider entwickelt, der zusätzlich als integrierter Ölabscheider fungiert.
Bild: TEKO
Ansätze für die Zukunft
Durch intensive Tests und kontinuierliche Forschung in den letzten Jahren konnte TEKO eine effiziente R 744-Kaltwasser- und Wärmepumpen-Produktserie namens CoolShift entwickeln. Dank der immer größeren Verfügbarkeit von Komponenten und Leistungsgrößen sind diese Chiller und Wärmepumpen heutzutage wirtschaftlich ab einem Leistungsbereich von etwa 100 kW bis hin zu mehreren Megawatt umsetzbar. Ein aktuelles Projekt von Vitalis, einem neuen Mitglied der KKVB-Gruppe, versorgt ein reversibles Fernwärme- und Kältenetz einer Universität mit über 1,5 MW Leistung pro Saison. Die CoolShift-Technologie ist also auch in größeren Maßstäben einsetzbar.
Abschließend lässt sich ein globaler Trend zum Einsatz natürlicher Kältemittel erkennen – insbesondere bei CO2-Kälteanlagen und Wärmepumpen. Dieser Trend wird durch striktere Umweltvorschriften und ein wachsendes Bewusstsein für nachhaltige Praktiken vorangetrieben. Dies bringt sicherlich einige Herausforderungen mit sich; ganzheitlich betrachtet stellt es jedoch auch eine Chance für jedes einzelne Unternehmen sowie für die Umwelt dar, innovative Lösungen zu entwickeln, die sowohl ökonomisch als auch ökologisch sinnvoll sind. ■
Bild: KältenKlub
Das Video zum Beitrag:
https://youtu.be/wo3uWnVwuuM?si=JATDjfFk5IGcfC4e
