Natürliche Kältemittel gewinnen immer mehr an Bedeutung für die Kälte- und Klimatechnik. Im Zeitalter der Treibhaus- und Ozonproblematik treten stets mehr Gesetze, Verordnungen und Regelungen bezüglich des Einsatzes von Kältemitteln in Kraft. Die Gesetzeslage sieht vor, in naher Zukunft alle Kältemittel, die eine treibhaus- oder ozonschädigende Wirkung aufweisen, zu verbieten. Da natürliche Kältemittel nicht zur Ozonproblematik und nur geringfügig zum Treibhauseffekt beitragen, werden diese als Alternativen bevorzugt. Bekanntlich sind natürliche Kältemittel nicht ungefährlich. Sie weisen unter anderem oftmals eine hohe Brennbarkeit und Explosionsfähigkeit auf. Es gibt nicht viele Alternativen, welche die herkömmlichen Kältemittel ersetzen könnten. Innerhalb der nächsten Jahre muss die Entscheidung gefallen sein: entweder natürliche Kältemittel oder neue zukunftssichere Kältemittel. Die gesetzlichen Regelungen lassen keine andere Wahl, denn was für Auswirkungen hätte der Verlust von Kälte- und Klimasystemen auf die Menschheit?
Anforderungen an die Kälteanlage
Die Gartenbauzentrale eG verfügt über eine breite Auswahl an Kräuter-, Gemüse- und Pflanzenprodukten, wie Gurken, Tomaten und Blumen. Mit Gründung der Gemüseanbau- und Absatzgenossenschaft im Jahre 1931 wuchs das Unternehmen innerhalb von Jahrzehnten so weit heran, dass der Gründungsstandort im Zentrum von Papenburg für die weitere Entwicklung zu klein wurde, sodass schließlich im Jahre 1997 ein neues Logistikzentrum an der Schulze-Delitzsch-Straße 10 in Papenburg geplant wurde. Mit dem Bau des Logistikzentrums begann die Zusammenarbeit mit der Alwin Otten GmbH. Das Geschäftsvolumen innerhalb der letzten Jahre ist so sehr angestiegen, dass ein Areal von zehn Hektar im vergangenen Jahr um ein 1 000 m² Kühlhaus erweitert wurde. Der Anbau umfasst zwei Kühlräume (Kühlraum 1 und 2) von jeweils ca. 450 m² Grundfläche, die zur Kühlung von Schnittlauch genutzt werden. Dabei wird laut Anforderung der Gartenbauzentrale die Raumtemperatur auf 8 °C/10 °C heruntergekühlt, um die ordnungsgemäße Lagerung des Schnittlauchs zu garantieren. Ein weiterer Kühlraum (Kühlraum 3) wird für die Kühlung von Gurken genutzt. Durch die Gurkensaison bedingt wird dieser Kühlraum jedoch nur im Zeitraum von April bis September gekühlt. Die gelagerten Gurken sollen eine Raumtemperatur von +10 °C erhalten.
Seit 1997 erfolgte die Kühlung des Raumes über eine R 22-Anlage, die jedoch aufgrund häufiger Reparaturen und durch das im Jahr 2015 bevorstehende Verbot der Verwendung des Kältemittels R 22 in Verbindung mit der neuen Anlage ersetzt werden sollte.
Es musste eine Anlage geplant werden, die es ermöglicht, die Kühlräume 1 und 2 auf ca. 8 °C sowie die Möglichkeit zur Kühlung im Plusbereich und zusätzlich den Kühlraum 3 (während der Gurkensaison) auf +10 °C zu kühlen. Die Anlage sollte diesen Anforderungen entsprechen und möglichst energieeffizient und umweltschonend betrieben werden. Zudem musste zukunftsorientiert gedacht werden, denn aufgrund der Gesetzeslage in der Kälte- und Klimabranche werden in naher Zukunft weitere F-Gase vom Markt verschwinden.
Ursprünglich war eine R 404 A-Anlage vorgesehen. Hierfür wäre eine Kältemittelfüllmenge von etwa 750 kg R 404 A notwendig gewesen. Nicht nur die hohen Kosten durch lange Kupfer-Rohrleitungswege, sondern auch die große Menge an Kältemittel und die Tatsache, dass durch die Revision der F-Gase-Verordnung alle Kältemittel mit einem GWP 2 500 innerhalb der nächsten Jahre vom Markt verschwinden, waren Gründe, sich gegen den Einsatz des Kältemittels R 404 A zu entscheiden. Aus diesem Grund lag die Priorität darin, ein natürliches und zukunftsorientiertes Kältemittel einzusetzen. Dabei wurde 2013 die Entscheidung getroffen, das natürliche Kältemittel Propan einzusetzen.
Die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels sind hervorragend, sodass sich dieses ideal als Ersatz für nahezu alle HFKW- und HFCKW-Kältemittel eignet. Zu diesen Eigenschaften gehören u. a., dass das Kältemittel keinen Temperaturgleit aufweist, eine hohe volumetrische Kälteleistung besitzt und günstige Drucklagen mit sich bringt. Das wohl bekannteste und größte Problem bei Propan ist die erhöhte Brennbarkeit und Explosionsfähigkeit des Kältemittels. Dies führte in den 1930er-Jahren zur Entwicklung der Sicherheitskältemittel (FCKW), da Betriebsunfälle aufgrund der Brennbarkeit, aber auch der unsachgemäße Umgang und mangelnde Sicherheitsvorkehrungen ein Problem darstellten. Derzeit bilden jedoch eine Vielzahl an Vorschriften und Gesetze die Grundlage für den sachgerechten und sicheren Umgang mit diesem Kältemittel, sodass der Einsatz von Propan, unter Beachtung der einzelnen Vorschriften, nur eine geringe Gefahr darstellt.
Eine Grundlage für den Einsatz von Propan bildet die DIN EN 378-1. Hier wird die maximal zulässige Kältemittelmenge für den jeweiligen Aufstellungsort festgelegt. Dem-entsprechend musste für den Anwendungsfall der Gartenbauzentrale ein indirektes System, hier Propan-Sole, eingesetzt werden.
Vorteile bei der Wahl von Propan als Kältemittel
Das natürliche Kältemittel Propan hat kein Ozonabbaupotenzial (ODP = 0) und weist nur ein sehr geringes Treibhauspotenzial auf (GWP = 3). Daher gelten für das Kältemittel folgende Verordnungen nicht:
Chemikalien-Ozonschichtverordnung
(EG) Nr. 2037/2000 des Europäischen Parlaments und des Rates über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen
(EG) Nr. 842/2006 des Europäischen Parlaments und des Rates über bestimmte fluorierte Treibhausgase
Chemikalien-Klimaschutzverordnung
Nachteile bei der Wahl von Propan als Kältemittel
Der Einsatz von Propan als Kältemittel kann nicht beliebig ausgewählt werden, sondern unterliegt strengen Vorschriften und Sicherheitsvorkehrungen. Grund dafür ist die leichte Entflammbarkeit des Kältemittels. Dementsprechend müssen gewisse Explosionsschutzmaßnahmen getroffen werden. Im Kältemittelkreislauf gilt es, sicherheitstechnische Schutzeinrichtungen gegen Drucküberschreitung zu montieren. Im Anschluss ist die Kälteanlage aufgrund der Fluidgruppe 1 von einer zugelassenen Überwachungsstelle, zum Beispiel dem TÜV, abzunehmen. Insbesondere ist laut EN 378 der Aufstellungsort (in Bezug auf die Kältemittelfüllmenge) von großer Bedeutung.
Ein individuell angepasstes System
Die Propan-Kälteanlage dient mit einer Leistung von 350 kW (bei einer Verdampfungstemperatur t0 von 19 °C und einer Verflüssigungstemperatur tc von +15 °C) zur Kühlung der drei Kühlräume. Hierbei gilt jedoch die Besonderheit, dass die Anlage auf Wunsch so geregelt werden kann, dass in der Zeit von April bis September alle drei Kühlräume gekühlt werden können und in den Wintermonaten nur die Schnittlauchräume. Dies ist durch die Gurkensaison bedingt.
Um sowohl in den Sommer- als auch in den Wintermonaten die Kühlung der Lagerräume zu gewährleisten, wurde eine spezielle Kälteanlage mit jeweils zwei Kreisläufen mit dem Kältemittel Propan und einem Solesystem erstellt. Beide Kältemittelkreisläufe sind identisch und außerhalb des Gebäudes aufgebaut. Zu beachten war jedoch, dass aufgrund der hochentzündlichen und explosionsgefährlichen Eigenschaften von Propan, ausschließlich Komponenten der Fluidgruppe 1eingesetzt werden. Die Kältemittel-Füllmenge beträgt 49 kg R 290 pro Kreislauf.
Für eine effiziente Betriebsweise und zugleich hohe Lebensdauer der Anlage werden die Verdichter mit einem Frequenzumrichter drehzahlgeregelt. Das Frequenzspektrum verläuft zwischen 25 Hz und 70 Hz bei 50 Hz-Nennbetrieb. Der ausgewählte Verdichtersatz ist vom Hersteller für das Einsatzgebiet der Gartenbauzentrale Papenburg freigegeben worden. Insbesondere bei frequenzgeregelten Verdichtern ist vorab zu prüfen, ob der ausgewählte Verdichter für den gewünschten Einsatzbereich anwendbar ist. Der Einsatzbereich ist sowohl vom Kältemittel, der Frequenz, der Druckdifferenz und den Temperaturen als auch von den Leistungen der Systemkomponenten abhängig.
Der eingebaute interne Wärmeübertrager dient der Unterkühlung der Flüssigkeit, wodurch eine Leistungssteigerung der Gesamtanlage und durch die Überhitzung des Sauggases gleichzeitig ein Schutz des Verdichters vor Flüssigkeitsschlägen erzielt werden. Generell sollte eine Unterkühlung des Kältemittels von 10 bis 15 Kelvin unterhalb der Verflüssigungstemperatur erfolgen. Bei unzureichender Unterkühlung besteht die Gefahr der Drosseldampfbildung, wo-durch die Kälteleistung herabgesetzt wird. Auch der Enthitzer hat eine Leistungsverbesserung der Anlage zur Folge. In erster Linie wird er jedoch für die Abtaufunktion der Verdampfer verwendet, denn dadurch, dass die Räume 1 und 2 auf eine Temperatur von 8 °C heruntergekühlt werden, weisen die Wärmeübertragerflächen eine Temperatur unterhalb des Taupunktes von Wasser-dampf auf, sodass die Wärmeübertragerlamellen bereifen.
Eine Bereifung bzw. Eisbildung hat wiederum Leistungseinbußen zur Folge. Aus diesem Grund ist eine Abtaueinrichtung erforderlich, die hier über einen 10 000-Liter-Warmsole-Vorratsspeicher realisiert wird. Die Enthitzungswärme des Verdichtungsprozesses wird in den Warmsole-Vorratsspeicher geführt. Das Kältemittel strömt mit einer Druckgastemperatur von ca. +50 °C in den Enthitzer. Gleichzeitig strömt die hergeführte Sole mit einer Vorlauftemperatur von 20 °C durch den Enthitzer. Die Sole nimmt diese Wärmeenergie auf und kann so mit einer Rücklauftemperatur von etwa 30 °C den Warmsole-Vorratsspeicher erhitzen. Ebenso wie beim Plattenwärmeübertrager findet eine Wärmeübertragung statt. Das Kältemittel wird enthitzt und verlässt den Enthitzer mit einer Temperatur von +15 °C. Dieses gibt dann im Verflüssiger weitere Wärmeenergie an die Umgebung ab, bis es schließlich in flüssiger Form vorliegt.
Da die Umgebungstemperatur bzw. die Verflüssigungstemperatur im Winter geringer ist, dienen drei eingebaute Heizstäbe im Notfall mit einer Leistung von insgesamt 18 kW der Erwärmung der Sole im Vorratsspeicher. Die Heizstäbe werden entsprechend der erforderlichen Heizleistung stufenweise zugeschaltet. Die Anlage ist so eingestellt, dass je nach Bedarf, hier einmal täglich in der Nacht, der Kaltsolekreislauf abgesperrt wird und dann die warme Sole über eine Sole-Umwälzpumpe in den Vorlauf der Kaltsoleleitungen der Verdampfer der Kühlräume 1 und 2 eingespeist wird. Die warme Sole taut die Eisschicht an den Verdampferlamellen ab. Auch die Tropfwasserwannen der Verdampfer werden über Bypassleitungen abgetaut. Anschließend wird die Sole zurück in den Warmsole-Vorratsspeicher geleitet.
Die resultierende geringere Temperaturdifferenz zwischen Sole- und Raumtemperatur hat weiterhin zur Folge, dass eine geringere Entfeuchtung stattfindet. Dies bringt eine höhere Produktqualität und zudem geringere Abtauzeiten mit sich. Dementsprechend ist die Energieausnutzung bis ins kleinste Detail durchdacht.
Sofern die Solekreisläufe so eingestellt sind, dass Kühlraum 3 über Anlage 2 gekühlt wird, werden die Soleleitungen zunächst zu einer Pumpenstation gefördert. Hier werden je nach Soll-Raumtemperatur der jeweiligen Kühlräume dieMischventile so ge-stellt, dass die Solltemperaturen er-reicht werden. Für die Kühlung von Kühlraum 3 muss dementsprechend das Mischventil so gestellt sein, dass ein größerer Volumenstrom aus dem Rücklauf dem Vorlauf zugeführt wird, da die Raumtemperatur +8 °C betragen soll. Die Sole im Hauptvorlauf hat eine Temperatur von ca. 15 °C und ist somit zu kalt. Sofern die Sole mit einer Temperatur von 15 °C in den Gurkenkühlraum gelangt, wird aufgrund deshohen Temperaturunterschiedes zwischen den Gurken und der Sole, dem Kühlraum so viel Feuchtigkeit entzogen, dass die Gurken sehr schnell austrocknen würden. In den Wintermonaten sind lediglich die Kühlung der Räume 1 und 2 erwünscht, sodass durch Umlegen der Ventile Raum 3 abgesperrt ist.
Die Pumpenstation ist im Wesentlichen ein einfaches Rohrleitungssystem, in dem über Pumpen und Bypass-Leitungen sowie über Drei-Wege-Ventile die Temperaturen angepasst und die Kreisläufe in den Räumen 2 und 3 geregelt werden. Insgesamt befinden sich 20 000 l Soleflüssigkeit in der Anlage.
Propan (R 290) vs. R 404A
Dem Kältemittel Propan stehen eine Reihe von positiven als auch negativen Aspekten entgegen. Um abwägen zu können, inwiefern der Einsatz von Propan sowohl wirtschaftlich als auch energetisch sinnvoll ist, ist eine Vergleichsberechnung durchgeführt worden. Damit ein aussagekräftiger Vergleich des Energieverbrauches des jeweiligen Systems getroffen werden kann, muss die Berechnung unter identischen Rahmenbedingungen erfolgen. Dafür ist der Betriebspunkt der Anlage bei einer Kälteleistung von 174 kW je Kreislauf, einer Verdampfungstemperatur to von 19 °C und einer Verflüssigungstemperatur tc von +15 °C festgelegt worden.
Energieverbrauch
Mit einer Laufzeit von 16 Stunden am Tag, an 180 Tagen im Jahr, wird der Jahresenergieverbrauch ermittelt. Die Festlegung auf 180 Tage wird dadurch begründet, dass sich der dargestellte Energieverbrauch auf den Winterbetrieb bezieht. Für die Auslegung sind insgesamt sechs Luftkühler für die Kälteanlage vorgesehen. Die Abtauung der Propan-Kälteanlage wird kostenlos über die Warmsole realisiert. Sofern in den Wintermonaten die Temperatur der Sole nicht für die Abtauung ausreicht, werden die eingebauten Heizstäbe zugeschaltet. Aus Erfahrungswerten ist bekannt, dass die Zuschaltung der Heizstäbe eher selten eintritt. Die Zuschaltung erfolgt dann durchschnittlich für etwa 20 min am Tag, sodass für die Energiekosten-Berechnung eine Abtaudauer durch Heizstäbe von 20 min (0,3 h) an 120 Tagen im Jahr zugrunde gelegt wird.
Für die ursprünglich geplante Kälteanlage mit R 404 A wäre eine elektrische Abtauung notwendig gewesen, wodurch für alle Verdampfer insgesamt eine Leistungsaufnahme von 216 kW aufzubringen gewesen wäre. Diese müssten dann auch an 365 Tagen im Jahr betrieben werden, da in diesem Fall keine kostenlose Abwärme genutzt würde. Auch die Laufzeit der Heizstäbe läge wesentlich höher als bei der Propan-Kälteanlage. Dies liegt daran, dass die Heizstäbe vollständig für die Abtauung eingesetzt werden würden, wodurch ein erheblich größerer Temperaturunterschied bewältigt werden müsste. Denn bei der Propan-Kälteanlage muss lediglich die bereits warme Sole um ein kleineres Temperaturniveau erhöht werden. Hierzu sind eine geringe Laufzeit und weniger Energie notwendig. Infolge- dessen wird für die Energiekostenberechnung eine Laufzeit der Heizstäbe für die Abtauung der R 404A-Anlage von 0,75 Stunden am Tag angenommen. Dies stellt einen durchschnittlichen Wert dar, denn bei der Umsetzung würde eine Bedarfsabtauung eingeleitet werden.
Wie in der Tabelle auf Seite 26 zu sehen, liegen die Leistungsaufnahmen der einzelnen Komponenten eng beieinander. Der wesentliche Grund für den höheren Energieverbrauch bei der Kälteanlage mit Propan liegt den zusätzlichen Pumpen des Solekreislaufes zugrunde. Diese nehmen mit 7,38 kW allein schon 43 099,20 kWh pro Jahr in Anspruch. Der Grund dafür, dass die Komponenten jeweils etwas mehr Energie verbrauchen, hängt damit zusammen, dass durch den Solekreislauf eine zusätzliche Wärmeübertragung zwischen Sole und Kältemittel erfolgen muss. Dies hat schließlich zur Folge, dass für den Wärmeübergang zusätzliche Energie benötigt wird.
Im Gegenzug dazu liegt der hohe Energieverbrauch bei der Kälteanlage mit R 404 A bei der elektrischen Abtauung. Allein für die Abtauung sind für die zugrunde liegenden 180 Tage 29 160 kWh erforderlich. Im Vergleich zum maximal benötigten Energieverbrauch für die Abtauung der Propan-Kälteanlage mit nur 216 kWh wird die Energieeinsparung durch die Wärmerückgewinnung deutlich sichtbar.
TEWI-Betrachtung
Der Einsatz von Kältemittel ist nicht nur aus wirtschaftlicher Sicht zu betrachten. Vielmehr bedarf der Einsatz aus ökologischer Sicht. Der Ausstieg konventioneller Kältemittel aufgrund der Umweltbelastung hat große Auswirkungen auf die Kälte- und Klimaanlagen. Dementsprechend soll der gesamte Beitrag der Kälteanlage des jeweiligen Kältemittels zum Treibhauseffekt gegenübergestellt werden. Jedoch werden hier anstatt der +15 °C Verflüssigung, die Sommerverhältnisse von +45 °C als Bezugspunkt genommen. Die Drücke steigen bei höherer Temperatur, somit wird der maximale TEWI-Wert ermittelt.
Die dargestellte TEWI-Berechnung bezieht sich nur auf den Betrieb der Kälteanlagen bei 180 Tagen pro Jahr. Die Berechnungen stammen aus einem Berechnungsprogramm der Testo AG.
Dadurch, dass die Abtauzeiten von der Betriebsdauer abweichen, müssen diese separat betrachtet werden. Dies bedeutet, dass für die Propan-Kälteanlage nochmals 216 kWh/a hinzugezogen werden müssen (siehe Energieverbrauchstabelle). Um-gerechnet fallen weitere 28,08 Euro (bei 0,13 Euro/kWh) an. Bei der R 404 A-Anlage hingegen sind es hier schon 29 160 kWh/a, was zu weiteren Kosten von rund 3 790 Euro führt. Dementsprechend verändert sich auchdas Ergebnis der Energiemehrkosten. Insgesamt betrachtet fallen für die Propan-Kälteanlage etwa 2 826,28 Euro Mehrkosten (im Vergleich zur R 404 A-Anlage) im Jahr an.
Trotz der hohen Energiekosten der Propan-Kälteanlage ist der erhebliche Einfluss des Kältemittels R 404 A auf den Treibhauseffekt ein starkes Argument gegen den Einsatz einer Kälteanlage mit dem Kältemittel R 404 A im Anwendungsfall der Gartenbauzentrale eG in Papenburg.
Der Einblick in die ökologischen Eigenschaften des Kältemittels Propan zeigt, dass das Kältemittel eine sehr gute Alternative zu konventionellen Kältemitteln darstellt. Das Kältemittel weist einen nahezu bedeutungslosen direkten Einfluss auf die Umwelt auf. Unter Berücksichtigung des relativ hohen Energieverbrauches durch zusätzliche Pumpen kann dennoch gesagt werden, dass mit Betrachtung des EEG (2014) durchaus eine Reduzierung des Energieverbrauchs in zukünftigen Anlagen zu erwarten ist, denn das im März 2014 aktualisierte EEG 2014 fordert, dass bis zum Jahr 2050 mindestens 80 Prozent des deutschen Bruttostromverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt werden1. Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes werden somit möglicherweise (in naher Zukunft) immer mehr Kälteanlagen energieeffizienter arbeiten. Dies spricht nicht nur zugunsten der Umweltbelastung, sondern auch des Anlagenbetreibers, der mit geringeren Energiekosten rechnen darf.
GWP-Werte im Überblick
Lena Lammers,
Projektleiterin in der Kälteabteilung, Alwin Otten GmbH, Meppen
Fußnoten
1 http://www.eeg-aktuell.de/wp-content/uploads/2014/03/entwurf-eines-gesetzes-grundlegenden-reform-eeg.pdf (14.04.2014)
