Kosteneffizient und umweltgerecht Kühlen in der Gewerbekälte

18.05.2011 | Veröffentlicht in Ausgabe 05-2011

Bild 1: Kaskadenanlagen mit R 134 a für die Normalkühlung und CO<sub>2</sub> für die Tiefkühlung sind eine Alternative zu herkömmlichen R 404 A-Direktverdampfungsanlagen in der Supermarktkälte. - © Bitzer — © Bitzer

Bild 1: Kaskadenanlagen mit R 134 a für die Normalkühlung und CO₂ für die Tiefkühlung sind eine Alternative zu herkömmlichen R 404 A-Direktverdampfungsanlagen in der Supermarktkälte.

Die Reduktion des eigenen Umwelteinflusses durch energiesparende und umweltschonende Kältetechnik rückt für den Lebensmitteleinzelhandel zunehmend in den Mittelpunkt. Die dort überwiegend verwendeten R 404 A-Kälteanlagen verbrauchen vergleichsweise viel Energie, und zudem besitzt das Kältemittel ein sehr hohes Treibhauspotenzial. Eine kosteneffiziente und zugleich umweltgerechte Lösung ist der Einsatz von Kaskadenkälteanlagen mit dem neuen Kältemittel Opteon XP10 von DuPont für die Normalkühlung und CO₂ für die Tiefkühlung. Damit lassen sich die gesamten, durch Energieverbrauch und Leckagen verursachten Treibhausgasemissionen (TEWI-Berechnung) einer Kälteanlage im Vergleich mit R 404 A-Systemen signifikant reduzieren. Joachim Gerstel, Frank Rinne, Alexander Wirsching

Der überwiegende Teil der im Lebensmitteleinzelhandel heute eingesetzten Kälteanlagen verwendet das Kältemittel R 404 A für die Normal- und Tiefkühlung. Im Vergleich mit anderen Substanzen, z.B. R 134 a, besitzt R 404 A in der Normalkühlung eine geringere Energieeffizienz. Zudem ist es aufgrund seines hohen Treibhauspotenzials (Global Warming Potential, GWP) von 3922 in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus von Klima- bzw. Umweltschützern und der Politik gerückt. Denn neben den indirekten, durch den Energieverbrauch dieser Systeme verursachten CO₂-Emissionen tragen auch durch Leckagen austretende HFKW-Kältemittel zu den Gesamttreibhausgasemissionen (TEWI-Berechnung, TEWI = Total Equivalent Warming Impact) eines Lebensmittelmarktes bei. Eine Erhebung bei verschiedenen großen Supermarktketten in Großbritannien, Frankreich und Deutschland hat ergeben, dass Kältemittelleckagen 15 bis 39 Prozent dieser Emissionen ausmachen [1].

Eine Alternative für Verbraucher- und Supermärkte sind Kaskadenanlagen mit dem Kältemittel R 134a für die Normal- und CO₂ (R 744) für die Tiefkühlung (Bild 1). Discountmärkte verwenden für die Tiefkühlung im Verkaufsraum häufig steckerfertige TK-Truhen, für die sich in den letzten Jahren Propan (R 290) als Kältemittel durchgesetzt hat. Für die Normalkühlung kommen hier ebenfalls zunehmend R 134 a-Systeme zum Einsatz. R 134 a besitzt in der Normalkälte eine um ca. zehn Prozent höhere Leistungszahl als R 404 A. Aufgrund der um ca. 7 bis 9 bar geringeren Drücke von R 134 a-Anlagen auf der Hochdruckseite (t₀ = 10 °C, t_c = 45 °, Δ_p = 9 bar) ist die Leckagerate solcher Systeme nachweislich geringer [2]. Das Treibhauspotenzial von R 134 a ist mit einem GWP-Wert von 1430 zudem um mehr als 60 Prozent geringer als das von R 404 A.

Reduktion von Treibhausgasemissionen eine zentrale Forderung

Vor allem in der Europäischen Union (EU) wächst das Bewusstsein für den Einfluss von Treibhausgasemissionen auf die Umwelt. So strebt die EU mit ihren sogenannten 20-20-20-Klimaschutzzielen unter anderem eine mindestens 20-prozentige Reduktion der Treibhausgasemissionen gegenüber dem Wert von 1990 sowie eine Senkung des Energieverbrauchs um 20 Prozent durch verbesserte Energieeffizienz an. Zudem sieht die F-Gase-Verordnung (EG 842/2006) eine Verringerung der gesamten HFKW-Emissionen in neuen und bestehenden stationären Kälte- und Klimaanlagen vor. Eine überarbeitete Fassung dieser Verordnung wird für 2011 erwartet. Zu den diskutierten Regelungsvorschlägen für die stationäre Kälte- und Klimaanwendung gehört auch die Einführung einer GWP-gewichteten Obergrenze für HFKW-Kältemittel auf Basis ihres CO₂-Äquivalents sowie eine schrittweise Senkung dieser Obergrenze über einen längeren Zeitraum.

Als einer der führenden Kältemittelhersteller mit nunmehr 80 Jahren Erfahrung hat sich DuPont frühzeitig mit der Entwicklung von nachhaltigen und leistungsfähigen Kältemittelalternativen beschäftigt. Dabei standen die folgenden Hauptanforderungen im Mittelpunkt:

Ozonabbaupotenzial (ODP = Ozone Depletion Potential) gleich Null,
möglichst geringer GWP-Wert,
hohe Sicherheit und zuverlässiger Betrieb,
Verwendung bekannter und standardisierter Anlagentechnik sowie
geringe Gesamtbetriebskosten (Summe aus Anschaffungs- und Wartungskosten, Kosten für Energieverbrauch).

Low-GWP-Alternative zu R 134 a für die Normalkühlung

Auf der Chillventa 2010 präsentierte DuPont Opteon XP10, ein azeotropes Kältemittelgemisch für die Gewerbekälte auf Basis des für mobile Klimaanlagen inzwischen weltweit akzeptierten HFO-1234yf. Sein GWP-Wert von ca. 600 liegt deutlich unter dem von R 134 a (GWP: 1 430). Aufgrund seiner ähnlichen thermodynamischen Eigenschaften eignet es sich für den Einsatz in neuen, auf R 134 a-Technologie basierenden Normalkühl-Kälteanlagen bzw. als Drop-in-Lösung in bestehenden R 134 a-Systemen. Dies könnte den Umstieg auf das neue Kältemittel erleichtern, da bekannte und bewährte Anlagentechnik verwendet werden kann.

Nach umfangreichen Untersuchungen in den eigenen Labors zu den thermodynamischen Eigenschaften, zur Brennbarkeit und Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen führt DuPont in enger Zusammenarbeit mit Kältekomponentenherstellern, Ingenieurbüros, Systemlieferanten und Endkunden bis zur Kommerzialisierung ausführliche Praxistests durch. Ziel ist es, Erkenntnisse zur optimalen Anpassung von Komponenten und Regelungssystemen zu gewinnen, um das Potenzial von Opteon XP10 vollständig auszuschöpfen, sowie Daten zur Kompatibilität mit üblichen, in der Supermarktkälte eingesetzten Schmiermitteln zu sammeln.

So hat sich bereits 2009 eine Projektgruppe um DuPont, Bitzer Kühlmaschinenbau, TEKO Gesellschaft für Kältetechnik mbH, Wurm GmbH & Co. KG Elektronische Systeme, kke GmbH und Penny-Markt zusammengefunden, um den Einsatz des neuen Kältemittels in einem Penny Discountmarkt der REWE-Gruppe in Landsberg bei Halle/Saale vorzubereiten.

Erfolgreicher Labortest

In einem Laborversuch stellte TEKO zunächst die R 134 a-Kälteanlage eines unternehmenseigenen Testsupermarkts (Bild 2) auf Opteon XP10 um, um Daten über den Einsatz des Kältemittels unter Laborbedingungen zu gewinnen. Die Kälteanlage (zwei Verdichter BitzerVarispeed 4CC-6.F, Regelung: Wurm Frigolink) versorgt vier NK-Möbel sowie einen Kühlraum. Der Kältebedarf liegt bei ca. 15 kW.

Vor der Umstellung der Anlage nahmen die Techniker von TEKO zunächst umfangreiche Basismessungen auf Basis von R 134 a vor. Danach saugten sie das Kältemittel ab, evakuierten die Anlage, tauschten wie bei solchen Arbeiten üblich den Filtertrockner aus und befüllten das System mit Opteon XP10. Anschließend wurde die Wurm Frigolink-Regelung auf die thermodynamischen Daten von Opteon XP10 eingestellt.

Vergleichende Messungen der Anlagendaten vor und nach der Umstellung haben ergeben, dass die Überhitzung (Δt_0h) am Verdampfer mit Opteon XP10 ca. 3 K höher war als mit R 134 a. Durch Feinjustieren des thermostatischen Expansionsventils (TEV) konnte die Überhitzung auf 8,9 K gesenkt und somit dem für R 134 a gemessenen Wert angepasst werden (Tabelle 1). Zudem hat sich die Kälteleistungsreserve (Q. ₀) des Verdichtersatzes mit Opteon XP10 zunächst um sieben Prozent, nach Justierung des TEV sogar um 18 Prozent gegenüber R 134 a erhöht.

Ergebnisse auf Praxis übertragbar

Auf Basis der in diesem Laborversuch gewonnenen Erkenntnisse erfolgte im Februar 2010 die Umrüstung der Normalkühl-Kälteanlage im Penny-Markt in Landsberg durch die Anlagenbauer der kke GmbH, Kesselsdorf, das Ingenieurbüro Rüter, Rheinbach, sowie Dr. Frank Rinne von DuPont.

Der Kältemaschinensatz Tekopack TPX2-112 (erste Inbetriebnahme im November 2009) besteht aus zwei halbhermetischen Hubkolbenverdichtern Bitzer Ecoline 4NES-12Y und hat eine Kälteleistung von 31 kW. Er versorgt sieben Kühlregale für Molkereiprodukte (+4 °C), ein Kühlregal für Frischfleisch (+1 °C) sowie einen Kühl-Lagerraum (+4 °C). Die Kältemittelfüllmenge beträgt 70 kg. Wie im Labortest bei TEKO lag die Überhitzung mit Opteon XP10 direkt nach der Umstellung um ca. 3 K höher als mit R 134a. Eine Feinjustierung der thermostatischen Expansionsventile brachte auch hier das gewünschte Ergebnis.

Je nach Verfügbarkeit des Kältemittels plant Penny die Ausrüstung bzw. den Neubau weiterer Kälteanlagen mit Opteon XP10. Um den eigenen Umwelteinfluss zu reduzieren, hatte das Unternehmen bereits 1998 damit begonnen, sämtliche Normalkühl-Kälteanlagen durch Systeme mit R 134 a-Technologie zu ersetzen.

Fazit

Die Ergebnisse des Laborversuchs bei TEKO waren 1:1 auf den Feldtest übertragbar. Opteon XP10 eignet sich aufgrund seiner vorteilhaften thermodynamischen Eigenschaften sehr gut für den Einsatz in R 134 a-Normalkühl-Kälteanlagen im Supermarkt oder Discounter. Durch den Einsatz bekannter Anlagentechnik ist ein Umstieg auf dieses Low-GWP-Kältemittel problemlos möglich. In Kombination mit CO₂ für die Tiefkühlung in einer Kaskadenanlage lassen sich die gesamten Treibhausgasemissionen im Vergleich mit einer herkömmlichen R 404 A-Direktverdampfungsanlage signifikant reduzieren (Bild 3). -

Literatur:

[1] EPEE (European Partnership for Energy and the Environment): Kältemittel: Neue Studie zur Ökoeffizienz von Supermarktkälteanlagen, 22. Oktober 2010

[2] Schmidt, Rolf: Technology Selection for a Retailer, International Conference on CO₂ol Food climate friendly refrigeration in supermarkets, Berlin, 23. Mai 2007

[3] Brouwers, Christoph: Trends in supermarkt technology in within the European Union, International Conference on CO₂ol Food climate friendly refrigeration in supermarkets, Berlin, 23. Mai 2007, Folie 11

[4] A. D. Little: Global comparative analysis of HFC and alternative technologies for refrigeration etc., 21. März 2002, Seite 83