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Smart-Grid-fähige Plug-and-Play-Kälteanlage mit dem natürlichen Kältemittel Propan in Modulbauweise
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Hintergrund
Sowohl die schrittweise Beschränkung umweltgefährdender Kältemittel als auch die Effizienzsteigerungspotentiale bei Kälteanwendungen geben Anlass zu dem vorliegenden Forschungsvorhaben.
Ausstieg aus herkömmlichen Kältemitteln
Die vom Europäischen Parlament erlassene EU-Verordnung Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase gilt seit dem 01. Januar 2015. Hierdurch sollen die Emissionen fluorierter Treibhausgase (F-Gase) in der EU um 70 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent auf 35 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent bis zum Jahr 2030 gesenkt werden.
Es gelten drei wesentliche Regelungsansätze:
• Einführung einer schrittweisen Beschränkung (Phase down) der am Markt verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) bis zum Jahr 2030 auf ein Fünftel der heutigen Verkaufsmengen
• Erlass von Verwendungs- und Inverkehrbringungsverboten, wenn technisch machbare und klimafreundlichere Alternativen vorhanden sind
• Beibehaltung und Ergänzung der Regelungen zu Dichtheitsprüfungen, Zertifizierung, Entsorgung und Kennzeichnung[1]
Abb. 1 zeigt die schrittweise Beschränkung des Inverkehrbringens von HFKWs sowie die durchschnittlich zulässigen Global Warming Potentials (GWP) der zukünftigen Kältemittel. Es ist erkennbar, dass bis 2018 eine Reduzierung der Vermarktungsmenge von HFKW-Kältemitteln von 93% auf 63% vorgeschrieben ist. Dies ist die höchste Stufe in der kürzesten Zeitspanne, weshalb die Reduzierung herkömmlicher und somit die Verbreitung alternativer Kältemittel in nächster Zeit intensiviert werden müssen. Zudem sieht die F-Gase-Verordnung ein Verbot des Inverkehrbringens ab 2022 für „mehrteilige zentralisierte Kälteanlagen für die gewerbliche Verwendung mit einer Nennleistung von 40 kW oder mehr, die fluorierte Treibhausgase mit einem GWP von 150 oder mehr enthalten oder zu ihrem Funktionieren benötigen […]“ vor.[2]/typo3/ Daher müssen weiterhin nicht nur aufgrund der bekannten Ozonproblematik zukünftig auch aufgrund der Treibhausproblematik zigtausende Kälteanlagen umgestellt werden.
Eine zeitnahe Umstellung erfordert die Möglichkeit, herkömmliche Kältemittel in Bestandsanlagen durch alternative Kältemittel mit guten energetischen sowie umwelt- und materialverträglichen Eigenschaften zu ersetzen, ohne erhebliche Umbaumaßnahmen vornehmen zu müssen. Besonders gute Eigenschaften hat das natürliche Kältemittel Propan. Neben einem geringen GWP von 3 hat Propan eine hohe Leistungszahl sowie eine niedrige Drucklage und Druckgasendtemperatur.[3] Die Verdampfungsenthalpie ist bspw. im Vergleich zu R22 (Chlordifluormethan) 1,7-fach höher (bei -10/40°C) und der Kältemittel-Massenstrom im Vergleich zu R22 ca. 55-60% niedriger. Propan ist verträglich mit anderen in der Kälteanlage verwendeten Materialen (bspw. Dichtungen und Wärmeträger) und weist keine korrosive Wirkung gegen Kupfer und Aluminium auf. Das Betriebsverhalten bei hohen Umgebungstemperaturen von R290 ist besser als das von R22. Grundsätzlich können daher alle Anlagen, die mit R22 betrieben werden, auf R290 umgestellt werden. Hierzu sind lediglich kleine Anpassungen erforderlich, wie z.B. der Einsatz von höher viskosem Öl. Bei der Umstellung kann abhängig vom Einsatzfall und verwendeter Technologie eine Energieeinsparung der Kälteanlage zwischen 20-40% im Teillastbetrieb erzielt werden.
Bisher findet Propan jedoch fast ausschließlich Anwendung bei industriell vorgefertigten Systemen mit kleinen Füllmengen (<150g), wie z.B. steckerfertigen Kühltruhen und Kühlschränken. Bei der Erstellung größerer Einzelanlagen sind aufgrund der leichten Entflammbarkeit von Propan besondere Voraussetzungen bezüglich Planung, Konstruktion, Montage und Aufstellungsort zu beachten.[4] Die meisten Anlagenbauer haben Schwierigkeiten sich mit diesen Voraussetzungen vertraut zu machen und die Vorschriften einzuhalten. Aber auch die Betreiber scheuen den erhöhten, administrativen und finanziellen Aufwand, der mit den einzuhaltenden sicherheitstechnischen Vorschriften und Abnahmeprüfungen durch zertifizierte Stellen verbunden ist. Aus diesem Grund haben sich Kälteanlagen mit dem umweltschonenden und energieeffizienten Kältemittel Propan bisher trotz seiner guten ökologischen Bewertung und der positiven Energieeffizienz nicht am Markt durchsetzen können.
Energieeffizienz von Kälteanwendungen
Der Forschungsrat Kältetechnik schätzte 2010 bei Kälteanwendungen ein Effizienzsteigerungspotential von 40%.[5] Insbesondere im Bereich der Regelung von Kälteanlagen wird ein erhebliches Energieeinsparpotential gesehen. Zudem wird geprüft inwieweit Kälteanwendungen in Hinblick auf die Smart-Grid-Entwicklung Berücksichtigung finden können. Im Zusammenhang mit dem in Abb. 2 dargestellten steigenden Anteil des Elektroenergieverbrauchs für Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanwendungen in Deutschland sowie dem steigenden Kältebedarf weltweit wird deutlich, welches Energieeinsparpotential unter Berücksichtigung effizienzsteigernder Maßnahmen beim Bau von zukünftigen Kälteanlagen besteht. Dieses Potential wird auch durch die Gesetzgebung festgestellt, weshalb bspw. in der Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG zunehmend höhere Energieeffizienzwerte festgelegt werden, die beim Neubau von Anlagen zukünftig nicht mehr unterschritten werden dürfen.[6] Neben dem Energieeffizienzsteigerungspotential für Anlagen fällt auf, dass bei gesamtheitlicher Betrachtung des Energiemarktes, die Smart-Grid-Fähigkeit dieser weiter an Bedeutung gewinnt, um Stromspitzen im Zuge der Energiewende ausgleichen zu können. Der Aspekt der Smart-Grid-Fähigkeit wurde bei der Programmierung von Kälteanlagen bisher kaum berücksichtigt, bietet allerdings im Zusammenhang mit Kältespeicherung ein erhebliches Potential.
[1] www.umweltbundesamt.de/themen/wirtschaft-konsum/produkte/fluorierte- treibhausgase-fckw/rechtliche-regelungen/eu-verordnung-ueber-fluorierte- treibhausgase, Abruf 15.10.2015
[2] VERORDNUNG (EU) Nr. 517/2014 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase und zur Aufhebung der Verordnung (EG) Nr. 842/2006 (ABl. L 150 vom 20.5.2014, S. 222)
[3] www.energie-experten.org/heizung/waermepumpe/technik/kaeltemittel/propan.html; Abruf 15.10.2015
[4] DIN EN 378
[5] VDMA Allgemeine Lufttechnik: Energieeffiziente Kältetechnik 2010, Frankfurt am Main, 2010
[6] VERORDNUNG (EU) 2015/1095 DER KOMMISSION vom 5. Mai 2015 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von gewerblichen Kühllagerschränken, Schnellkühlern/-frostern, Verflüssigungssätzen und Prozesskühlern (ABl. L 177 vom 08.07.2015, S. 19)
[7] Monitoring‐Bericht "Energie der Zukunft", 4.4.2014, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie; Kältetechnologien Deutschland, Studie Hochschule Karlsruhe, 2013, unveröffentlicht
Zielstellung
Ziel des Projektes ist die Erstellung einer Technikumsanlage als vollhermetische Kälteanlage im Leistungsbereich von 10-30kW als Kaltwasser- oder Soleanlage.
Zur Sicherstellung der Energieeffizienz kommen erstmals drehzahlgeregelte vollhermetische Verdichter sowie optimierte Komponenten zum Einsatz, die mittels einer selbst konzipierten und programmierten Regelung aufeinander sowie auf den Einsatz in Smart-Grid-Anwendungen abgestimmt werden. Der Einsatzbereich soll mit -10°C bis +10°C im Bereich der Normalkühlung und Klimatisierung liegen. Die Festlegung des genauen Leistungsbereiches und der Kältemittelfüllmenge sind Gegenstand des Projektes. Die Skalierbarkeit der Leistungsgröße erfolgt über eine Modulbauweise. Die Technikumsanlage wird energetisch optimiert und der Einsatz innovativer Wärmeträger untersucht.
In einer zweiten Versuchsphase wird die Verschaltung von zwei Modulen untersucht und optimiert. Die Zusammenarbeit mit einer Sachverständigenorganisation hat die Erstellung eines Dokumentenportfolios und die Entwicklung eines Verfahrens zum Ziel, das eine Einzelabnahme vereinfacht.
Im späteren Einsatzfall wird die Kälteanlage werksseitig montiert, befüllt und probehalber in Betrieb genommen. Aufgrund des Solekreislaufes kann diese von jedem SHK-Handwerker vor Ort installiert werden (Plug-and-Play). Darüber hinaus ist wegen des vorliegenden Dokumentenportfolios eine vereinfachte Abnahme wie bei einer herkömmlichen Kälteanlage erforderlich. Durch die Entwicklung einer energieeffizienten Technologie, eine einfache Handhabung (Solekreislauf und Modulbauweise) und den Abbau der zusätzlichen Abnahmehürde wird ein wesentlicher Schub der Marktdurchdringung in Richtung der natürlichen Kältemittel erwartet.
Innovation
Das Forschungsvorhaben beinhaltet die folgenden Innovationen:
- Erstmaliger Einsatz von drehzahlgeregelten vollhermetischen Verdichtern für Propan (freigegeben für zukünftige Serienfertigung)
- Einsatz von optimierten Komponenten (Wärmeübertrager, Expansionsventil)
- Entwicklung einer integrierten Prozessortechnologie und Programmierung unter Einsatz einer selbstoptimierenden Regelung, Berücksichtigung der zukünftigen Entwicklung im Bereich Smart-Grid
- Untersuchung des Einsatzes eines alternativen Wärmeträgers
- Erstellung eines Dokumentenportfolios für verschiedene Anwendungsfälle für die sicherheitstechnischen Abnahmen zur Betreiberunterstützung (in Zusammenarbeit mit einer Sachverständigenorganisation und Organisation für Dokumentenmanagement)
Zusammenfassend zeichnet sich dieses innovative Smart-Grid-fähige und somit zukunftsweisende Kältesystem durch die Kombination einer propanbetriebenen energieeffizienten Anlage und eines Betreiberpakets zur Entschärfung der behördlichen Abnahmepflicht aus.
Verwertung und Transfer der Ergebnisse
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen nach Abschluss zur Entwicklung eines Prototyps führen. Hierzu müssen noch konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, da die Technikumsanlage aufgrund der installierten Messtechnik und der Versuchsanordnung großzügiger konstruiert werden muss. Letztendlich soll jedoch die Entwicklung zur Marktreife eines serienfertigen Endproduktes führen.
Durch die Hochschule Ruhr West ist der Transfer der Ergebnisse in die interessierten Kreise im Bereich der Wissenschaft sichergestellt.
Geplant sind sowohl Veröffentlichungen in Fachzeitschriften (bspw. KI (Hüthig Verlag), Die Kälte (Gentner Verlag), CCI (CCI Dialog GmbH), etc.), als auch Vorträge auf wissenschaftlichen Tagungen (bspw. DKV Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e.V., ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers).
Die Vernetzung der Projektbeteiligten in Branchenverbände wie bspw. VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau), BIV (Bundesinnungsverband des Deutschen Kälteanlagenbauerhandwerks e.V.), VDKF (Verband Deutscher Kälte-Klima-Fachbetriebe e.V.), ZVKKW (Zentralverband Kälte Klima Wärmepumpen e.V.) und FGK (Fachverband Gebäude-Klima e.V.) stellt eine Verbreitung der Informationen über das Forschungsprojekt in die Kälte- und Klimabranche sicher.