Das Unternehmen Efficient Energy GmbH hat mit dem eChiller eine zukunftsweisende Technologie entwickelt. Der eChiller verwendet reines Wasser (R718) als Kältemittel und spart zudem je nach Anwendungsfall bis zu 80 Prozent Energie beim Abtransport von Abwärme aus industriellen Prozessen.
Gesetzliche Rahmenbedingungen und ihre Auswirkungen
In den kommenden Jahren wird die derzeit klassische industrielle Wärmeabfuhr den gesetzlichen Normen und Richtlinien nicht mehr genügen. Kühlturmanwendungen bieten zwar eine effiziente Art der Rückkühlung, aber besonders aufgrund von Legionellengefahr führen gesetzliche Auflagen zu hohen Kosten, bedingt durch die Anzeigepflicht, die Anforderung an die Beschaffenheit, verschärfte Betreiberanforderungen, turnusmäßige Wartungspflicht, die Überwachung durch Sachverständige und mehr. Hinzu kommen Wasserverbrauch und -aufbereitung sowie die Begrenzung durch die Feuchtkugeltemperatur.
Weiterhin sieht die verschärfte F-Gase-Verordnung vor, dass bis zum Jahr 2030 das CO2-Äquivalent der F-Gase EU-weit um ca. 80 Prozent reduziert werden muss. Die Ökodesign-Richtlinie, die die Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte innerhalb der EU festlegt, schreibt auch für Kälteanlagen Mindestwerte vor. Hinzu kommt die im März 2017 von der 42. Bundesimmissionsschutzverordnung (BlmSchV) über Verdunstungskühlanlagen und Nassabscheider auf den Weg gebrachte Legionellenverordnung. Als Reaktion auf diese Verordnungen hat u. a. Mitte April der Kältemittelhersteller Honeywell angekündigt, dass das Unternehmen ab 2018 die beiden Hoch-GWP-Kältemittel R404A und R507 in Europa nicht mehr verkaufen wird. R404A und R507 haben hohe Treibhauspotenziale (GWP = Global Warming Potential) von über 3900 und werden bislang überwiegend in Supermarktkälteanlagen eingesetzt. Der Einsatz von Wasser als Kältemittel bietet hier eine zukunftsweisende und nachhaltige Alternative.
Der eChiller – eine Kompressionskälteanlage mit Wasser (R718) als Kältemittel
Die effiziente Anwendung von Wasser als Kältemittel in Kompressionskälteanlagen konnte erst durch eine komplett neue, energetisch optimale und direkte technische Umsetzung des thermodynamischen Kreisprozesses realisiert werden. Dies wurde von der Efficient Energy GmbH aus Feldkirchen bei München entwickelt und mit dem eChiller zur Serienreife gebracht. Die Technologie des eChillers weist im Leistungsbereich von 35 kW pro Maschine bis zu 80 Prozent Energieersparnis gegenüber dem Stand der Technik auf. In einer fast zehnjährigen Entwicklungszeit wurden, unterstützt durch namhafte Investoren, nahezu alle Komponenten selbst entwickelt, da diese auf dem Markt nicht verfügbar waren.
Diese Technologie ist gut geeignet für alle Anwendungen, die ganzjährig einen kontinuierlichen Kühlbedarf haben. Besonders geeignet ist der eChiller für die Kühlung industrieller Prozesse, wie z. B. Kunststoffspritzguss, chemische Prozesse, Bioreaktoren oder generelle Kaltwasseranwendungen, im Bereich der Gebäudekühlung besonders zur Betonkernaktivierung und für Kühldecken sowie zur Kühlung von Serverräumen.
Nachweis der Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit im laufenden Betrieb
Von Ende 2014 bis April 2017 wurden in mehr als 260 Betriebsmonaten die Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit der neuen Technologie nachgewiesen. Hochgerechnet ergab dies eine Einsparung von ca. 1120 t CO2-Äquivalent bzw. ca. 280 000 Euro Stromkosten bei 0,20 Euro/kWh. Unabhängig davon wurden die Leistungsdaten des eChillers auf Prüfständen von namhaften Kälteanlagenherstellern in Dänemark und Italien nachgemessen und erfolgreich bestätigt. Zusätzlich wurde beim TÜV Süd eine Messung in Anlehnung an die Norm DIN EN 14511-2 durchgeführt, welche die angegebenen Effizienzwerte auch bestätigt hat.
In einem Referenzprojekt bei der Tunap Industrie Chemie GmbH & Co. Produktions KG, Wolfratshausen, wird der eChiller für die Verflüssigung von Lösungsmitteln bei der Herstellung chemisch-technischer Erzeugnisse eingesetzt. In weiteren Anwendungsfällen wird der eChiller derzeit zur Kühlung von Serverräumen eingesetzt und ein Projekt im Bereich Kunststoffverarbeitung ist in der Umsetzung. Im laufenden Betrieb wurden und werden in allen Anwendungsbereichen sowohl die Erwartungen an die Betriebssicherheit als auch an die hohen wirtschaftlichen Vorteile erfüllt.
Kühlung industrieller Prozesse am Beispiel Tunap
Die Tunap Industrie Chemie GmbH & Co. Produktions KG, Wolfratshausen, zählt zu den größten europäischen Herstellern von technischen Aerosolen. An diesem Standort liegt der Schwerpunkt auf der Produktion von chemischen Wirkstoffen und Flüssigkeiten. Die Aufgabenstellung am Einsatzort ist die Verflüssigung von Lösungsmitteln, die bei der Herstellung chemisch-technischer Erzeugnisse verdampft werden, um nahezu 100 Prozent des Stoffes zu recyclieren und dem Produktionsprozess wieder zur Verfügung zu stellen. Die gewünschte Kaltwassertemperatur liegt dabei bei 18 °C.
Als Lösung wurden eigens für diesen Prozess entwickelte Lösungsmittelverflüssiger installiert. Die Kälteerzeugung erfolgt durch einen eChiller. Für die erforderliche Redundanz ist ein herkömmlicher Kaltwassersatz mit HFKW als Kältemittel installiert. Angebunden sind die Lösungsmittelverflüssiger mittels einer hydraulischen Weiche und einer Kreislaufpumpe. Die Kühlung der Verflüssiger erfolgte ausschließlich über den eChiller. Die Herausforderung an diesem Einsatzfall ist der Einschichtbetrieb. Der auf die maximal benötigte Kältelast normierte Verlauf der erzeugten Kälteleistung ist im Bild oben dargestellt. Der Produktionsbeginn am Montagmorgen (13. Februar 2017) ist durch den Peak gut zu erkennen. An den restlichen Tagen wird die hydraulische Weiche bei Bedarf geladen.
Der Kälteprozess mit Wasser (R718) als Kältemittel
Im Folgenden wird die neuartige Technologie des eChillers beschrieben, mit der die Verwendung von Wasser als Kältemittel für Kompressionskälteanlagen möglich gemacht wurde. Die Idee ist nicht neu, aber die erfolgreiche Umsetzung einzigartig im Anwendungs- und Leistungsbereich von 35 kW pro Maschine.
Wasser als Kältemittel hat exzellente stoffliche und thermodynamische Eigenschaften, ist unkompliziert in der Handhabung und leicht verfügbar. Wasser ist ein sehr stabiles Molekül, das weder ein Treibhaus- noch ein Ozonabbaupotenzial besitzt und die einzige chemische Verbindung auf der Erde, die in der Natur parallel als Flüssigkeit, als Festkörper und als Gas vorkommt. Die Verwendung von Wasser als Kältemittel bedingt die Umsetzung des thermodynamischen Kreisprozesses im Vakuum. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kaltwassersätzen wird das Kältemittel nicht durch Wärmeeintrag, sondern durch Absenken des Systemdrucks auf Sattdampfdruckniveau zum Verdampfen gebracht. Wird im Verdampfer der Druck auf ca. 26 mbar abgesenkt, verdampft das Wasser bei 22 °C (Verluste nicht berücksichtigt).
Eine wesentliche Herausforderung ist dabei, dass Wasser im relevanten Temperaturbereich einen niedrigen Sättigungsdruck von nur wenigen mbar hat. Daraus ergibt sich eine geringe Dichte und somit ein entsprechend großer Volumenstrom der dampfförmigen Phase, der bei der konstruktiven Ausführung aller Anlagenkomponenten berücksichtigt werden muss. Hierbei sind besonders der hocheffiziente, elektronisch geregelte Turboverdichter und der Verdampfer bzw. Verflüssiger zu nennen.
Die Technologie des eChillers
Der eChiller arbeitet mit der Direktverdampfung von Wasser in einem vakuumdichten, geschlossenen Kreislauf, der über Plattenwärmeübertrager hydraulisch vom externen Kühl- und Kaltwasserkreis getrennt ist. In zwei identisch aufgebauten Kältemodulen wird der komplette thermodynamische Kreisprozess abgebildet.
Die Funktionsweise des Kältemoduls:
1. Der Verdampfer: Wasser tritt in den Verdampfer ein, ein Teil verdampft und entzieht dadurch dem restlichen Wasser Energie, wodurch es sich abkühlt.
2. Der ct-turbo: Der Wasserdampf wird von dem Turboverdichter mit bis zu 90 000 U/min. verdichtet, wobei sich Druck und Temperatur des Dampfes erhöhen.
3. Der Verflüssiger: Der komprimierte Dampf kondensiert im Verflüssiger und erwärmt so den Kühlwasserstrom.
4. Die Expansion: Das kondensierte Wasser wird in den Verdampfer zurückexpandiert.
Der modulare Aufbau des Systems er-laubt es, durch die Verschaltung der Kältemodule sowohl in Abhängigkeit der inneren Wärmelast als auch der Kühlwassertemperatur jeweils nur die Anlagenteile zu betreiben, die notwendig sind, um die geforderte Kälte- leistung zu erbringen. Dadurch wird ge- währleistet, dass die Maschine immer im optimalen Arbeitsbereich und somit mit dem minimal notwendigen Energieaufwand betrieben wird. Der eChiller kennt neben dem Stand-by-Modus vier unterschiedliche Betriebszustände (FreeCooling, FreeCooling PLUS, Stage I und Stage II), die anhand der dargestellten Bilder näher beschrieben werden. Die vier dargestellten Betriebszustände beziehen sich alle auf den Nennarbeitspunkt, Kaltwasserein- und -austritt von 28/22 °C und eine Kälteleistung von 35 kW.
80 Prozent Energieeinsparung im Vergleich zum Stand der Technik
Die Maschine läuft bereits im Freikühlbetrieb, wenn die Kühlwassertemperatur nur minimal geringer ist als die geforderte Kaltwasservorlauftemperatur. In diesem Betriebsmodus werden sehr hohe Effizienzwerte (COP) von über 100 erreicht, das bedeutet, dass für das Abführen von 1 kW Abwärme weniger als 10 W elektrische Leistung notwendig ist. Die Verdichterdrehzahl und damit auch der erforderliche elektrische Energiebedarf sind direkt von der Kühlwassertemperatur abhängig. Dies bedingt, dass ab 18 °C der COP kontinuierlich sinkt. Die folgende Tabelle zeigt die COP-Effizienzwerte des eChillers
Betriebsbereich
eChiller sind auf die Kühlung von Prozessen mit hohen Kaltwassertemperaturen ausgelegt. Der wirtschaftlich sinnvolle Einsatzbereich liegt bei Kaltwasseraustrittstemperaturen zwischen 16 und 22 °C. Technisch möglich sind Temperaturen von knapp über dem Gefrierpunkt bis hin zu 100 °C.
Überzeugende Argumente für die Kühlung von industriellen Prozessen mit Wasser
Diese neue Technologie hat das Potenzial in der Kältetechnikbranche herausragende umweltverträgliche und wirtschaftliche Maßstäbe zu setzen. Ein Indiz hierfür ist das rege Interesse aus Politik, Wirtschaft und Medien. So wurde der eChiller vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) im Zuge der Nationalen Klimaschutzinitiative mit dem Deutschen Kältepreis 2016 ausgezeichnet. Der eChiller wurde ebenfalls mit dem ersten Platz des Deutschen Rechenzentrumspreises 2017 in der Kategorie RZ-Klimatisierung und Kühlung“ ausgezeichnet. Ein Umstieg auf die neue Technologie wird auch dadurch attraktiv, dass der eChiller u. a. BAFA-förderfähig ist. Zudem sind mehrere große Player der Kältetechnikbranche an möglichen strategischen Kooperationen interessiert. Hier nochmal die wesentlichen Eckdaten des eChillers:
Reines Wasser (R718) als Kältemittel ist F-Gase-frei, absolut CO2-freundlich und 100 Prozent umweltverträglich – alle kältemittelrelevanten Richtlinien entfallen.
Die hohe Energieeffizienz sorgt für eine schnelle Amortisierung und langfristige Kosteneinsparungen.
Der eChiller ist BAFA- und z. B. KfW-Bank förderfähig.
Diese Technologie ist ideal für alle Anwendungen, die ganzjährig einen kontinuierlichen Kühlbedarf haben.
Besonders wirtschaftlich sind Kaltwassertemperaturen von 28/22 °C und höher, die herkömmliche Kältemaschinen in der Regel nicht bedienen können.
Durch den Einsatz von Trockenrückkühlern besteht keine Legionellengefahr.
Keine Dichtigkeitsprüfung nach der F-Gase-Verordnung erforderlich.
Extrem geräusch- und schwingungsarm.
Die Efficient Energy GmbH fertigt den eChiller seit Anfang 2016 in Serie im eigenen Hause in Feldkirchen bei München. Sie bietet den eChiller als Kaltwassersatz, aber auch als Systemlösung an. Diese beinhaltet verschiedene optionale Module wie z. B. alle erforderlichen hydraulischen Komponenten für die Gesamtinstallation und die integrierte Regelung der externen Komponenten. Hinzu kommen Unterstützungsleistungen von der Planung bis zur Fernüberwachung des laufenden Betriebs.
Der eChiller ist die Antwort auf die F-Gase-Verordnung, steigende Umweltbelastungen und die prognostizierte Energie-kostenentwicklung. Eine zukunftsweisende Investition, die sich mit Hinblick auf die laufenden Betriebskosten und Umweltauflagen für industrielle Prozesskühlung schnell amortisiert, so der Hersteller.
