Eine Branche im Wandel

Am 1. März hat der Umweltausschuss des Europäischen Parlaments (ENVI) seinen Berichtsentwurf zur Überarbeitung der F-Gase-Verordnung angenommen. Der Bericht enthält unter anderem verschärfte neue Anforderungen, die von der Kommission vorgeschlagen wurden, um das Inverkehrbringen von Produkten, die F-Gase enthalten, auf dem Binnenmarkt zu verbieten (Anhang IV). Der Text fügt auch Verbote für die Verwendung von F-Gasen für Sektoren hinzu, in denen es technologisch und wirtschaftlich machbar ist, auf Alternativen umzusteigen, die keine F-Gase verwenden, wie Kälte- und Klimaanlagen, Wärmepumpen und elektrische Schaltanlagen.

Darüber hinaus wird in dem Bericht ein steilerer Pfad für die schrittweise Reduzierung von teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW), die auf dem EU-Markt in Verkehr gebracht werden, ab 2039 mit dem Ziel eingeführt, bis 2050 ein Ziel von null HFKW zu erreichen (Anhang VII). Durch den schrittweisen Ausstieg aus der Produktion und dem Verbrauch von FKW in der EU würden diese aktualisierten Vorschriften mit dem Ziel der Klimaneutralität der EU für 2050 in Einklang gebracht.

Aufseiten des Rates wird erwartet, dass bis zum Ende der schwedischen Ratspräsidentschaft Ende Juni eine allgemeine Ausrichtung erreicht wird.

Dies bedeutet für unsere Branche einen weiteren Schritt in Richtung CO₂ Emissionsreduzierung, aber auch massive Belastungen für die Ganze die Kälte-, Klima- und Wärmepumpenbranche. In der Überarbeitung der F-Gase-Verordnung in der geplanten Form besteht die Gefahr, durch den entstehenden Druck der Fristen, dass keine ausreichenden Kompetenzen in der Branche ausgebaut werden kann. Daraus resultierend kann es zu einer Überforderung der handelnden Akteure in technischer, wirtschaftlicher und organisatorischer Sicht kommen.

Es gibt aber einige Lichtblicke, welche im Speziellen in der Kältetechnik schon jetzt mögliche Lösungswege aufzeigen. Bei der letzten EuroShop zeigte die Brache, dass sie sich schon vorbereitet auf diesen Wandel. Ein etabliertes System - mittlerweile seit 2012 im Markt – stellen SPI (Semi-Plug-in) Systeme dar. Hierbei wird auf Reduktion von Kältemittelmengen bei gleichzeitiger Verwendung „grüner“ Kältemittel gesetzt. In dem Vergleich diverser Kältetechnologien wird die Einsparung von CO₂ Emissionen aufgezeigt. Dabei werden statistische Daten vom VDKF LEC-Daten 2014-2018 Report zugrunde gelegt.

Verbund-System vs. AHT SPI-Berechnung

Für die Berechnung wurden ein Kühlsystem mit 50 lfm Leitungsweg und ein Tiefkühl- und Kühlraum verglichen. Alle Transporteinheiten sind für eine Person und eine Reichweite von 10.000 km pro Jahr berechnet.

Ein Verbund-System mit 150 kg R 134a hat ein 100-jähriges GWP von 1530. Bei einer Leckrate von 3,83 % verliert ein Verbund-System 5,745 kg R 134a pro Jahr. 5,745 kg * 1530 GWP/kg = 8790 kg CO₂-Ausstoß pro Jahr.

Ein Verbund-System mit 150 kg R 513a hat ein 100-Jahres-GWP von 673. Bei einer Leckrate von 3,83 % verliert ein Verbund-System 5,745 kg R 513a pro Jahr. 5,745 kg * 673 GWP/kg = 3870 kg CO₂-Ausstoß pro Jahr.

Ein Verbund-System mit 150 kg R 744 hat ein 100-Jahres-GWP von 1. Bei einer Leckrate von 3,83 % verliert ein Fernsystem 5,745 kg R 744 pro Jahr. 5,745 kg * 1 GWP/kg = 5745 kg CO₂-Ausstoß pro Jahr

Das AHT SPI-System mit 6,3 kg R 290 hat ein 100-Jahres-GWP von 0,02 (IPCC 6 Report). Bei einer Leckrate von ≤1 % verliert das AHT SPI-System 0,063 kg R 290 pro Jahr. 0,063 kg * 0,02 GWP/kg = 0,0013 kg CO₂-Ausstoß pro Jahr. (es wurden 14 Geräte vom Typ Vento 375 verwendet).

Der Vergleich impliziert, dass ein SPI R 290 System 99,8 % weniger direkte CO₂-Emission als das R 134a Verbund-System und 99,9 % weniger direkte CO₂-Emission als ein R 513a und CO₂ Verbund-System aufweist. Diese Einsparung an CO₂ Emissionen wäre an und für sich schon eine lohnende, wenn der Gedanke aber weitergeführt wird, kann man auch sehen, welche Einsparungen zusätzlich noch möglich sind. Aus den historischen Werten der Leckage kann man sehen, dass bei einer äquivalenten Anlage pro Jahr ca. 5,7 kg Kältemittel gespart werden können. Zumal kleinere Leckagen bei Verbundanlagen erst erkannt werden können wenn das fehlende Kältemittel zu einer Störung führt. Dies ist bei steigenden Preisen für die gängigen Kältemittel nicht nur ein Kostenfaktor an sich, bedenkt man weiter, dass auch Arbeitszeit von Nöten ist, die Anlagen wieder dichtzumachen. Zudem stehen je nach Analgentyp auch noch mögliche Warenschäden im Falle einer Leckage an.

In folgender Gegenüberstellung wird der Aspekt des Energieverbrauchs betrachtet.

Gegenüberstellung SPI-Propan (R 290) und Verbundkälteanlage mit CO₂

Bei der Dimensionierung der CO₂-Anlagenkomponenten ist es einerseits wichtig, die maximalen Betriebsbedingungen (z.B. Volllast und hohe Außentemperatur) zu betrachten und andererseits die Teillast und Schwachlastbedingungen zu berücksichtigen. Werden Komponenten nicht passend zum System konfiguriert, kommt es unweigerlich zu ungünstigen Betriebsbedingungen, die sich z.B. in unnötig tiefen Verdampfungstemperaturen und damit höheren Energiekosten zeigen. Der jährliche Energiebedarf kann nun durch z.B. Berechnungen auf Jahresstundenbasis unter Berücksichtigung von Außentemperaturen und Kühllastprofil erfolgen.

Aufgrund des systemimmanenten Verhaltens der Semi-Plug-in (SPI)-Anlage mit Propan als Kältemittel sind die Leistungen und Betriebsbedingungen pro Kühlstelle optimiert. Damit ist ein effizientes Teillastverhalten möglich und nachweisbar. Jede Kühlstelle läuft leistungsgeregelt und auf ihrem optimalen Verdampfungsdruckniveau. Alle Kältekreise geben die Abwärme in ein gemeinsames Wärmeverbundsystem und stellen so die Bedingungen für die Wärmerückgewinnung.

Bei CO₂-Anlagen können auch sehr gute Teil- und Volllastverhalten erzielt werden. Dabei werden bei den Kälteverbundsätzen diverse Maßnahmen zur Sonderoptimierung ergriffen. Diese sind beispielsweise parallele und mehrstufige Verdichtungen, Gas-Ejektoren, Liquid Ejektoren oder wie bei ECO₂Smart die aktive Unterkühlung des Gaskühler/Verflüssiger-Austrittsmediums, um möglichst lange eine optimierte Betriebsweise zu erhalten. Diese stellt sich im transkritischen Zustand ein, wenn der Druck des Kältemittels innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Austrittstemperaturtaus so gesteuert wird, dass er z.B. oberhalb P_min = 2,77 bar/°C x T_aus -18,29 bar liegt. Eine aktive Unterkühlung verlängert jahreszeitlich gesehen diese optimierte Betriebsweise.

Allen Optimierungsmaßnahmen bleibt gemein, dass hierzu technischer Aufwand betrieben werden muss, der geplant, gebaut, gewartet und serviciert werden will. Bei SPI-Anlagen mit Propan ist dies nicht erforderlich.

Der SPI-Solekreis als Zwischenkreislauf und die damit verbundene Pumpenleistung bewirken einen zusätzlichen Energieverbrauch im Vergleich zu CO₂-Systemen. Die drehzahlgeregelten ECM-Hauptumwälzpumpen regeln die erforderliche Umwälzmenge über ein hinterlegtes Proportionalband. So kommt man für die Wärmeübertragung von einer 120-kW-Kälteanlage mit einem Energiebedarf von etwa 10-20 kWh pro Tag aus. Ein Mischventil zwischen Vorlauf und Rücklauf sorgt auch im Winter für die Einhaltung der Mindesttemperatur der Sole, damit die einzelnen Kältekreisläufe genügend Flüssigkeitsvordruck für die Drosselorgane haben und Komponenten wie Verdichter nicht außerhalb der Anwendungsgrenzen betrieben werden.

Durch die im Sinne einer gesamtheitlichen Gebäudebilanz zunehmende Anwendung von Wärmerückgewinnungssystemen muss die Energiebedarfsbetrachtung durch den Wärmerückgewinnungsbetrieb ergänzt werden. Diese Betriebsform stellt bei energetischen Vergleichen von Gesamtsystemen eine zuweilen unbeachtete Größe dar, verdeutlicht aber die klaren Vorteile in der Energieeffizienz der Propan/SPI Anlagentechnik. Hierbei besitzt die SPI-Technik in Summe eine höhere Energieeffizienz.

Elektro-Energieverbrauch im Supermarkt

In der folgenden Darstellung werden eine Propan SPI und eine CO₂-Gesamtanlage für den Lebensmitteleinzelhandel im größeren Mittelflächenbereich an zwei winterlichen Kalenderwochen miteinander verglichen.

Für beide Anlagen kommen sehr ähnlich Rahmenbedingungen zu tragen, sodass eine gute Vergleichbarkeit gegeben ist. Beide Filialen sind in etwa mit folgender kältetechnischer Einrichtung ausgestattet:

Rahmenbedingung:

Bei der SPI-Anlage entschied man sich für eine Zweikreisanlage, um folgende Vorteile zu nutzen:

Anhand der Darstellung kann man eine höhere Energieeffizienz der SPI Anlage erkennen und dies nicht nur bei hohen Außentemperaturen, sondern ganz speziell bei winterlichen Bedingungen in Verbindung mit dem WRG Heizungsbetrieb. Da die Verdichter dieser Anlagentechnik bei sommerlichen Temperaturen ebenfalls in leicht beherrschbaren Druckverhältnissen laufen, erntet man auch dann eine gute Betriebseffizienz. Die hohe Anzahl an SPI-Anlagen unterstreicht die Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie und ist ein Beweis für einen ökonomischen Ganzjahresbetrieb.

Fazit:

Propan als natürliches Kältemittel zeigt das Potential dieser Lösung auf. Kühlmöbelhersteller wie auch Komponentenhersteller erweitern sukzessive ihre Produkpalette und decken heute nahezu alle Anwendungsfälle im Lebensmitteleinzelhandel ab. Mit einer standardisierten, auf eine Gesamtoptimierung aller Komponenten abgestimmten Automatisierungstechnik in Verbindung mit der standardisierten Bauart kann Semi-Plug-in eine ökonomische Technologie zur Erfüllung aller umweltpolitischen Aufgaben darstellen.

www.aht.at

Bild: Daikin / AHT