Energieeffiziente Kältetechnik - Energieverluste einfrieren

Die Kältetechnik wird bisher selten als Handlungsfeld zur Steigerung der Energieeffizienz wahrgenommen. Dabei schlummern hier oft erhebliche Potenziale zur Kostensenkung.

Die Kältetechnik ist eine in Industrie und Gewerbe weit verbreitete Technologie und fester Bestandteil moderner Produktions- und Logistikketten. Hier liegen oft hohe Einsparpotenziale brach: Die meisten Effizienzmaßnahmen sind mit Amortisationszeiten von weniger als zwei Jahren und hohen Kapitalrenditen von über 25 Prozent wirtschaftlich sehr attraktiv für die Unternehmen.

Der Ratgeber "Kältetechnik für Industrie und Gewerbe" gibt Hilfestellungen zur Steigerung der Energieeffizienz von Kälteanlagen.

Physikalische Grundlagen der Kälteerzeugung

Aus Sicht der Thermodynamik ist Kälte ein Ungleichgewichtszustand. Um diesen Ungleichgewichtszustand zu erzeugen, muss von dem Ort, an dem Kälte entstehen soll, Wärmeenergie entfernt werden. Man kann Kälte auch als den Energiefluss auffassen, der von dem Ort, an dem der Zustand niedriger Temperatur erzeugt werden soll, weg transportiert wird.

Eine Kältemaschine ist eine Maschine, die Kälte erzeugt. Sie kann auch als „Energiepumpe“ aufgefasst werden. So wie eine Flüssigkeitspumpe auf der Saugseite einen Unterdruck erzeugen kann und auf der Druckseite einen Überdruck, erzeugt die  Kältemaschine auf der kalten Seite eine Temperatur unter der Umgebungstemperatur und auf der warmen Seite eine Temperatur über der Umgebungstemperatur.

Anwendungen

Kältetechnische Anlagen gibt es in vielen industriellen und gewerblichen Bereichen. Die Ausführungen und Größen sind so vielfältig wie die Anwendungen selbst. Gemein haben diese Anlagen, dass an einer Stelle Kälte erzeugt wird, die an einer anderen Stelle in das Produkt oder den Prozess eingebracht werden muss.

Kälte kann zentral oder dezentral erzeugt werden. Dezentrale Anlagen am Ort des Kältebedarfs geben die Wärme oft an die Raumluft ab. Bei zentralen Anlagen wird die Wärme zunächst an einen zentralen Ort transportiert und dort an die äußere Umgebung abgegeben. Der Transport der abzuführenden Wärme kann durch verschiedene Medien geschehen. Kühlwasser oder Luft können ebenso eingesetzt werden wie spezielle chemische Kühlflüssigkeiten.

Kälteerzeugung

Eine Kompressionskälteanlage besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter mit Antrieb zur Temperatur- und Druckerhöhung, einem Verflüssiger (ggf. mit Kältemittelsammler) zur Wärmeabgabe, einem Drosselorgan zur Temperatur- und Druckabsenkung und einem oder mehreren Verdampfern zur Wärmeaufnahme. Hinzu kommt in manchen Fällen ein Kältenetz, in dem das Kältemittel oder bei indirekter Kühlung der Kälteträger transportiert wird.

Kälteanlagen bestehen immer mindestens aus:

  • einer Komponente, in der die abzuführende Wärme aufgenommen wird,
  • einer Komponente, die das Temperaturniveau der Wärme erhöht und den Kältekreislauf antreibt,
  • einer Komponente, in der die Wärme abgegeben wird und
  • einer Komponente, in der die Temperatur des Kältemittels gesenkt wird.

Elektromotoren

Der elektrische Wirkungsgrad eines Antriebs wird durch Energieverluste an verschiedenen Stellen bestimmt. So führt zum Beispiel der Widerstand in den Kupferdrähten zu einer Erwärmung der Motorwicklung. Darüber hinaus entscheiden Art, Nennleistung und Belastung der Motoren über die Verluste von Elektromotoren im Dauerbetrieb.

Mit steigender Nennleistung nehmen die relativen Verluste ab: Große Motoren haben wesentlich bessere Wirkungsgrade als kleine. Die Streuung der Wirkungsgrade von verschiedenen Motoren einer Leistungsklasse nimmt ebenfalls mit wachsender Leistung ab. Da die meisten Motoren aber viele Stunden am Stück laufen, ist jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad bares Geld wert.

Der Ratgeber Elektrische Motoren in Industrie und Gewerbe: Motorenarten gibt eine Übersicht über die wichtigsten Motorenarten und deren Antriebe.

Regelungstechnik

Die Grundaufgabe der Kälteanlagenregelung ist es, die Temperatur an der Kühlstelle möglichst genau in der Nähe des Soll-Werts zu halten. Dies allein reicht jedoch nicht aus. Eine gute Regelungsstrategie optimiert auch die Energieeffizienz der Anlage. Auch für das störungsfreie Funktionieren und die Stabilität der Kälteanlage sind zusätzliche Regel- und Sicherheitseinrichtungen nötig. Die Regelkreise beeinflussen sich gegenseitig und müssen daher aufeinander abgestimmt sein.

Regelungen, Steuerungen und Leitsysteme sorgen zusammen dafür, dass die Anlage optimal läuft. Diese komplexe Regelungsaufgabe wird durch ein System aus übergeordneten Regelungen und Steuerungen, Primär- und Sekundärreglern und diversen Mess-, Schalt- und Steuergeräten bewerkstelligt.

Kältenetze

In vielen Kälteanlagen sind die Kältemaschinen und die Kühlstellen räumlich voneinander getrennt. Dies hat verschiedene Gründe.

Zum einen gibt es oft mehrere Kühlstellen an verschiedenen Orten, die von einer zentralen Anlage versorgt werden.

Zum anderen gibt es an den Kühlstellen, z. B. den Verkaufsstellen bei Gewerbekälte, oft gar nicht die räumlichen Möglichkeiten für die Aufstellung einer Kältemaschine.

Nicht zuletzt spielt eine Rolle, dass die Wärme in den meisten Fällen an die Außenluft abgegeben werden muss. Kältemittelnetze transportieren Kältemittel von der Kältemaschine zur Kühlstelle und zurück.

Sicherheit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit

An Kälteanlagen werden hohe Anforderungen in Bezug auf ihre Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit gestellt. Dies liegt zum einen daran, dass von ihnen bei nicht-sachgemäßer Behandlung eine Reihe von Gefahren ausgeht und zum anderen daran, dass ihr Ausfall in vielen Fällen erhebliche Folgeschäden nach sich zieht.

Eine gute Wartung erhält auch die Effizienz der Kälteanlage. So sollten bspw. Wärmetauscherflächen regelmäßig gereinigt werden. Lamellenverdampfer in Tiefkühlräumen müssen von Zeit zu Zeit abgetaut werden. Auch Verdichter und Antrieb bedürfen einer ausreichenden Instandhaltung.

In alten Anlagen kann durch das Entfernen von Luft und Inertgasen aus dem Kältemittelkreis die Verflüssigungstemperatur gesenkt und damit die Energieeffizienz gesteigert werden.

Planung und Optimierung

Zur Planung und Optimierung einer Kälteanlage stehen viele Stellschrauben zur Verfügung. So viele, dass es nicht möglich ist, für jede Kombination von Lösungsmöglichkeiten die Lebenszykluskosten zu berechnen und zu vergleichen. Es empfiehlt sich daher, systematisch vorzugehen.

Hier wird eine Vorgehensweise in sieben Schritten empfohlen, deren Reihenfolge eine Anlagen-Neuplanung zu Grunde liegt. Bei einer bestehenden Anlage wird genau zu prüfen sein, ob sich eine größere Ersatzinvestition oder ein Ausbau lohnt oder ob nur der Betrieb optimiert werden soll. Die grundlegenden Schritte sind:

  1. Minimierung des Kältebedarfs
  2. Grundsätzliche Entscheidungen zur Prozessgestaltung
  3. Optimierung von Leistungen, Druck- und Temperaturstufen
  4. Planung der Steuer- und Regelungstechnik
  5. Detailauslegung und Auswahl der einzelnen Komponenten
  6. Inbetriebnahme und Optimierung des Betriebs
  7. Effizienzorientierte Instandhaltung

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