Es sind die bislang weltweit einzigen, serienmäßig verfügbaren Kaltwassersätze, die ausschließlich mit dem Sicherheitskältemittel Wasser (R718) betrieben werden. Die F-Gase-Verordnung und kältemittelrelevante Sicherheitsanforderungen finden daher keine Anwendung. Zudem erfüllt die Anlage durch den integrierten Freikühlbetrieb bereits heute die Energieeffizienzanforderungen der Ökodesign-Richtlinie, die ab dem Jahr 2021 in Kraft tritt. Der F-Gase-Phase-Down führt zu Kältemittelverknappung und unkontrollierbaren Preissteigerungen bei fluorierten Kältemittel. Die gesetzlichen Vorgaben der EU zur Einhaltung der Klimaziele haben mittlerweile spürbare Auswirkungen für Betreiber von Kälteanlagen (Bild 1). So schreibt die F-Gase-Verordnung Nr. 517/2014 vor, das CO2-Äquivalent der in den Markt gebrachten Kältemittel stufenweise bis zum Jahr 2030 um nahezu 80 Prozent zu reduzieren.
Das Inkrafttreten der zweiten Phase im Januar 2018 hat zu einer Verknappung von fluorierten Kältemitteln mit hohen GWP (Global Warming Potential) geführt, die bisher in konventionellen Kälteanlagen verwendet wurden. Noch im Jahr 2015 wurden die Kältemittel R134a, R404A/R507, R407C und R410A in ca. 90 Prozent aller Kälteanwendungen verwendet. Diese Kältemittel sind bis 2030 nahezu vollständig durch neue Kältemittel zu ersetzen. Der dadurch ausgelöste sprunghafte Preisanstieg macht den Diebstahl von HFKW Kältemitteln mittlerweile zu einem lukrativen Geschäft und ein Ende der Kostenspirale ist derzeit nicht in Sicht. Die verschärften Auflagen für Kälteanlagen mit fluorierten Kältemitteln zwingen Betreiber zu immer kosten- und zeitintensiveren Wartungsarbeiten.
Einfach Wasser
Das Kältemittel der eChiller-Modellreihe ist das Trinkwasser, das Sie täglich verwenden. Wasser hat als Kältemittel die Bezeichnung R718. Es hat einen GWP von „0“ CO2-Äquivalent, der Maßeinheit, in dem das Treibhauspotenzial des jeweiligen Kältemittels im Vergleich zu CO2 angegeben wird. Wasser fällt damit nicht unter die F-Gase-Verordnung und unterliegt somit keiner Beschränkung in der Verwendbarkeit. Im Vergleich zu anderen natürlichen Kältemitteln, die ebenfalls einen geringen GWP haben, ist Wasser zudem weder toxisch noch brennbar oder explosiv. Sämtliche für Kältemittel relevanten Sicherheitsanforderungen entfallen. Wasser ist zudem leicht verfügbar, einfach handhabbar und kostengünstig.
Kühlung eines Extrusionsprozesses in der Fertigung
Die Gardena Manufacturing GmbH in Gerstetten bei Ulm hat das Potenzial erkannt und setzt, seit der Sanierung einer bestehenden Kälteanlage im Produktionsbetrieb, auf diese Technik. Gardena ist ein Tochterunternehmen des Husqvarna Konzerns und ein Marktführer weltweit in der Gartentechnik. Gardena zeichnet sich durch hohe Markenqualität und dem großen Anwendernutzen aus und ist ein weltweit anerkannter Hersteller von Produkten und Systemen für die Gartenbewässerung und –pflege. Am Standort in Gerstetten werden seit über 60 Jahren Komponenten in Serienfertigung produziert.
Die Aufgabe des Projektes bestand darin, die Kühlung eines Extruders zur Produktion eines Endlosproduktes, das kostengünstig mit hoher Qualität erzeugt werden soll, zu gewährleisten. Dieser Extruder soll aufgrund verschiedener Produktrezepte und daraus resultierenden Änderungen in der Wärmelast und der Temperaturführung nicht an die zentrale Kaltwasseranlage angebunden werden.
Benötigt wurde eine Kältemaschine zur Kaltwassererzeugung im Temperaturbereich zwischen 16 °C und 20 °C mit einer Leistungsgröße von 30 kW. Weitere Kriterien waren die Aufstellung der Kältemaschine möglichst nahe am Extruder, eine integrierte freie Kühlung zur Senkung der Energiekosten und die Verwendung eines umweltfreundlichen und nachhaltigen Kältemittels. Der eChiller konnte diese Anforderungen erfüllen und so erfolgte im Juli 2017 die Inbetriebnahme.
Seitdem läuft er bei Gardena im Dauerbetrieb. Der Betreiber bestätigt die einfache Handhabung beim Produktwechsel und den damit wechselnden Vorlauftemperaturen je nach Dimension zwischen 16 °C und 18 °C.
Die stufenlose Leistungs- und Temperaturregelung erlaubt es, die bei der Extrusion von HDPE-Rohren entstehende Abwärme direkt abzuführen. Mit der neuartigen Technologie ist es gelungen, neben den genannten Vorteilen eine Einsparung von ca. 47 MWh/a elektrischer Antriebsenergie gegenüber einer neuen marktüblichen Standardanlage zu erzielen.
Bild 2 stellt die auf realen Messwerten basierenden, gemittelten EER-Werte für jeweils einen Monat dar. Durch den hohen Freikühlanteil in den Wintermonaten lassen sich während dieser Zeit besonders hohe Effizienzwerte erzielen. Bei ständigem Verdichterbetrieb liegt die Effizienz des eChillers auf einem mit klassischen Kälteanlagen vergleichbaren Niveau. Die Schlussfolgerung daraus ist, dass sich der eChiller besonders effizient betreiben lässt, wenn ganzjährig eine konstante Kälteleistung gefordert ist, da über den Jahresverlauf die Vorteile der integrierten freien Kühlung voll ausgeschöpft werden können. Die Arbeitszahl Kälte im betrachteten Zeitraum von Januar bis Juli beträgt ca. 21.
eChiller – ein skalierbares System für hohe Kaltwasser-Vorlauftemperaturen
Die eChiller-Baureihe ist im Bereich der industriellen Prozesskühlung, aber auch für die Serverraum- und Gebäudekühlung, insbesondere Bauteilaktivierung und Kühldecken, ideal einsetzbar. Die Maschine ist zur Kühlung von Prozessen bei hohen Kaltwasser-Vorlauftemperaturen ausgelegt. Optimal kühlt sie in einem Bereich von 16 °C bis 22 °C Kaltwasser vorlauf. Es können aber auch Vorlauftemperaturen zwischen 10 °C und 28 °C gefahren werden. Abhängig von der Kaltwasser-Vorlauftemperatur, der Verdichtervariante und der Kühlwassereintrittstemperatur ist die Maschine in verschiedenen Varianten in einem Leistungsbereich von 20 kW bis 45 kW Kälteleistung erhältlich. Der Leistungsbereich lässt sich modular auf 300 kW skalieren.
Integration in ein Gesamtsystem
Im Bild 3 ist ein Installationsbeispiel im Bereich der Industriekühlung dargestellt. Zur Integration in ein Gesamtsystem wird ein Plug-ans-play System angeboten. Das Modul besteht aus einem oder mehreren eChillern, einem passenden Pumpenhydraulikmodul mit allen erforderlichen hydraulischen Komponenten sowie einem Rückkühler. Im eChiller standardmäßig integriert sind die Regelung der Peripheriekomponenten und die Schnittstellen zur Einbindung in ein übergeordnetes Anlagenmanagement. ■
