In Deutschland trat das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erstmals im Jahr 2000 in Kraft. Seither wurden zahlreiche Projekte im Sektor Solarenergie, Windenergie, Konversion von Bioenergie und Geothermie realisiert. 2012 betrug der Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Endenergieverbrauch rund 13 Prozent (Quelle: BMU). Laut dem aktuellen Gesetzesentwurf der Bundesregierung zur grundlegenden Reform des EEG (Quelle: BMWI) soll der Anteil erneuerbarer Energien an der deutschen Stromversorgung stetig erhöht werden; bis 2050 sollen mindestens 80 Prozent des deutschen Bruttostromverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt werden.
Das EEG reguliert beispielsweise die Vergütung für ins öffentliche Netz eingespeisten Strom, der mithilfe von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen erzeugt worden ist. Seit Inkrafttreten des Gesetzes hat sich die Anzahl der Blockheizkraftwerke signifikant erhöht. Die hier erzeugte thermische Energie wird lokal genutzt und substituiert fossile Energieträger wie Erdöl oder Erdgas. Bedauerlicherweise sind oftmals die Kapazität und der Bedarf an Wärme nicht deckungsgleich. Bei einer Vielzahl an Anwendungen wird ein Teil der ausgekoppelten Wärme als Abfall an die Umgebung abgegeben, insbesondere im Sommer, wenn der Bedarf an thermischer Energie drastisch sinkt.
Um dieses Dilemma zu überbrücken, kann die Wärme zum Beispiel mit der in-novativen Technologie der Ammoniak-Wasser-Absorptionskälte nutzbar gemacht werden. In Ergänzung zu einem konventionellen Blockheizkraftwerk entsteht ein komplexes innovatives Energieverbundsystem, eine sogenannte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK), das gleichzeitig die Endenergien Strom, Wärme und Kälte bereitstellt; international bezeichnet unter dem Begriff Trigeneration.
Üblicherweise werden für die Konstruktion der Absorptionskälteanlage Rohrbündelwärmeübertrager bevorzugt. Alternativ wurden für eine technische und wirtschaftliche Bewertung folgende Bauarten gegenübergestellt: halb gedichtete, gedichtete, im Fusionsverfahren hergestellte und vollverschweißte Plattenwärmeübertrager, Koaxial-, Rohr-in-Rohr- und sogenannte Plate-&-Shell-Wärmeübertrager. Zusätzlich wurde festgelegt, wie das zu verwendende Produkt sein sollte: kompakt, langlebig, in Masse produzierbar und aus Sicherheitsgründen frei von jeglicher Leckage. Darüber hinaus sollte die Geometrie die Thermodynamik innerhalb des Aggregates weitestgehend begünstigen.
Plate-&-Shell-Wärmeübertrager erfüllen Kriterien am besten
Die Untersuchung kam zu dem Ergebnis, dass Plate-&-Shell-Wärmeübertrager diese Kriterien am besten erfüllen. Insbesondere aus sicherheitstechnischen Aspekten werdendiese Wärmeübertrager bevorzugt eingesetzt in der Kältetechnik, im Kraftwerksbau, im Öl- und Gasgeschäft, in der Petrochemie, in der chemischen Industrie und der Prozessindustrie. Zurück zur Absorptionskältetechnik: Sie wird mit thermischer Energie angetrieben im Gegensatz zu den elektrisch angetriebenen Kompressionskälteaggregaten. Im Kühlbereich von +5 °C bis +20 °C sind aus wirtschaftlichen Aspekten Sorptionskälteverfahren wie DEC-Verfahren (Dessicant Evaporative Cooling), periodisch arbeitende Anlagen auf Basis von Wasser-Silica-Gel oder Wasser-Zeolith oder die Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlagen vorteilhafter zu verwenden.
Diese Sorptionskälteaggregate sind weitverbreitet und selbst im kleinen Leistungsbereich verfügbar, z. B. zur Klimatisierung von Einfamilienhäusern, und können mit niedrig temperierter Wärme angetrieben werden. Im Kühlbereich von ca. 50 °C bis +5 °C waren bisher auch Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlagen verfügbar. Diese hatten aber den Nachteil, dass sie mit sehr hohen Antriebstemperaturen angetrieben werden mussten. Aufgrund der Kostendegression konnten diese Einzelanfertigungen auch (nur im großen Leistungsbereich) wirtschaftlich angewendet werden. Für den kleinen und mittleren gewerblichen und industriellen Leistungsbereich waren keine Lösungen verfügbar. Basierend auf langjährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten kann ein neuartiges Ammoniak-Wasser- Absorptionskältesystem jetzt diese Lücke schließen. Dieses Verfahren wurde mithilfe einer thermodynamischen und ökonomischen Analyse technisch definiert. Lediglich Antriebstemperaturen zwischen +80 °C und 95 °C reichen aus, um diese Ammoniak-Wasser-Absorptionskälteanlagen im Kühlbereich bis 10 °C wirtschaftlich anzuwenden. Ausgelegt in modularen Leistungsklassen von 20 kW bis 1 MW wurde eine Baureihe geschaffen, mit der insbesondere die Möglichkeit besteht, die niedrig temperierte Abwärme eines Blockheizkraftwerkes zu verwenden. Zusätzlich kombiniert mit einer konventionellen NH3-Kompressionskälteanlage entsteht ein Energieverbundsystem, das technische und wirtschaftliche Maßstäbe setzt und in nahezu allen Anwendungsgebieten einsetzbar ist.
Solche Ammoniak-Wasser-Absorptionskältemaschinen und daraus resultierende Energieverbundsysteme werden von der Anlagenbaufirma Zimmermann Industriekälte GmbH mit Sitz in Seevetal geplant, errichtet und in Betrieb genommen. Besonders zu berücksichtigen ist dabei die eigens entwickelte bedienerfreundliche Software zur Überwachung und Regelung des außergewöhnlich komplexen Systems. Das Serviceteam übernimmt Wartung und Service eines solchermaßen schlüsselfertigen sogenannten Turnkey-Projektes.
Exemplarisch zeigen die folgenden Bilder die Schlüsselkomponenten einer beispielhaften, sich aktuell im Bau befindlichen Installation. Sie sind Teil des Energieverbundsystems eines 48 000 m² großen Logistikzentrums. Die Firma Zimmermann agierte hier als Generalauftragnehmer und lieferte bereits die hocheffizienten Blockheizkraftwerke (Bild 1), die NH3-H2O-Absorptionskältemaschine (Bild 2), dieKompressionskältemaschinen für den Tiefkühl-Kältebereich, die Hybrid-Rückkühlwerke (Bild 3), das 5 km lange Rohrleitungssystem sowie die jeweilige Kälteübergabe. Diese befinden sich zum Teil in 20 m Höhe (Bild 4) für die verschiedene Kühlbereiche: TK-Bereich bei 24 °C, Fleisch bei +2 °C, Feinkostbereich bei +4 °C, Obst und Gemüse bei +12 °C und einen separaten Bereich für Bananen mit +12 °C bis +14 °C. Zusätzlich versorgt ein Plattenwärmeübertrager mit einer Leistung von 950 kW bei +12 °C/+6 °C die Einheiten der TGA, unter anderem zum Klimatisieren des Bürobereiches. Saisonale Temperaturschwankungen und vor allem die alternierende Nachfrage an Kälte, Wärme und elektrischer Energie erfordert ein intelligentes, individuell angepasstes Regelungs- und Steuerungssystem, um diese außerordentlich anspruchsvolle Aufgabe zu erfüllen. Erfahrungswerte aus rückblickenden Projekten dieser teils wärme-, teils stromgeführten Energieverbundsysteme haben gezeigt, dass ein Brutto-Brennstoffnutzungsgrad von 85 Prozent und darüber hinaus erreicht wird [ermittelt nach den Rechenmethoden zur Bestimmung der KWK-Produkte der KWK-Anlagen analog zu FW 308: (elektrische Brutto-Betriebsleistung + KWK-Betriebs-Netto-Wärmeleistung dividiert durch diebereinigte Brennstoffwärmeleistung)]. Dank dieser praktischen Erfahrung profitieren insbesondere die Betreiber durch Subventionen und erhebliche Steuereinsparungen.
CO2-Einsparung: Die jährliche Emission an CO2 wird um etwa 30 Prozent reduziert, verglichen mit den üblich verwendeten Methoden. Diese Anwendung natürlicher Kältemittel zeigt die Nachhaltigkeit solcher Konzepte bzw. Energieverbundsysteme.
Cofely: Noch mehr Rückkühlwerke mit offenem Kreislauf
Cofely Refrigeration hat sein Angebot an Nasskühltürmen mit offenem Kreislauf erweitert. Außerdem sind zwei neue Rückkühlwerkbaureihen im Programm, nämlich Nasskühltürme mit geschlossenem Kühlkreislauf und duale Rückkühlwerke. Die Kühlturm-Baureihen EWF-D und EWD mit geschlossenem Kühlkreislauf haben ein korrosionssicheres Edelstahlgehäuse. Das Modell EWF-D erreicht pro Kühlturmzelle eine Leistung bis 1 000 kW, die sich durch den Einsatz zusätzlicher Zellen weiter erhöhen lässt. Mithilfe eines im Kühlturm integrierten Wärmeübertragers kühlt der Rückkühler die Prozessflüssigkeit ab. Zusätzlich ist im Winter ein reiner Trockenbetrieb möglich.
Mit dem Kühlturm EWD liegt ein duales Rückkühlwerk vor, das sich insbesondere zum Einsatz bei starken Schwankungen der Umgebungslufttemperatur eignet. Während er im Winter die Wärme über die Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft abführt (Trockenkühlung), nutzt der Kühlturm im Sommer die Verdunstungswärme des besprühten Wassers aus (adiabatische Kühlung). Dabei lässt sich die Sprühwassermenge über die im Schaltschrank integrierte Steuerung automatisch anpassen.
Die Nasskühlturmbaureihe mit offenem Kühlkreislauf wurde um den Kühlturm EWK-D-EC mit einem Gehäuse aus glasfaserverstärktem Polyester (GFK) sowie den Kühlturm EWE-D mit Edelstahlgehäuse ergänzt. Alle Rückkühlwerke dieser Baureihen sind durch ihre unterschiedlichen Baugrößen und Leistungsabstufungen vielfältig einsetzbar.
Der EWK-D-EC arbeitet dank einer verbesserten Ventilator-/Motoreinheit energieeffizienter, was zu einem rund 40 Prozent geringerenStromverbrauch führt. Der EWE-D hingegen ist durch eine enge Flächenabstufung gekennzeichnet und unterstützt dadurch eine flexible Anpassung an individuelle Raumanforderungen. Er ist druckbelüftet und erreicht pro Kühlturmzelle eine Leistung bis 1 300 kW. Durch Reihenaufstellung lässt sich seine Kühlleistung modular erhöhen.
Dr. Wolfgang Stürzebecher,
Leiter Absorptionskälte-technik, Zimmermann GmbH Industriekaelte & Anlagenbau, Außenbüro Haltern am See
