CO₂ Kälteanlage

Mit diesem Forschungsprojekt bewarben wir uns im Februar 2011 für den 3. Deutschen Kältepreis in der Kategorie 3 - "Klimafreundliche kältetechnische Sonderanwendungen". Bei der Preisverleihung am 22.03.2011 in Berlin wurden wir für diese Anlage durch die Parlamentarische Staatssekretärin beim Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Katherina Reiche mit dem 2. Platz geehrt.

CO₂ Ein klassisches Kältemittel
Neben Ammoniak und Schwefeldioxid ist CO₂ (Kohlendioxid) eines der natürlichen Kältemittel, die bereits zu Beginn des vorigen Jahrhunderts zum Einsatz kamen. Im Gegensatz zu den synthetisch hergestellten FCKW/H-FCKW ist CO₂ ein Nebenprodukt der Chemieindustrie bzw. der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen. Der niedrige kritische Punkt (31,06° C) und die sehr hohen Drücke bereits bei moderaten Rückkühltemperaturen führten allerdings dazu, dass dieses Kältemittel nach der Entwicklung von FCKW und H-FCKW verdrängt wurde.
Mit den verstärkten Bemühungen der Industriestaaten, die Treibhausgasemission insgesamt zu verringern, rückte CO₂ als Kältemittel wieder in den Fokus. Die faktisch unbegrenzte, natürliche Verfügbarkeit, sowie das sehr minimale Treibhauspotenzial von GWP = 1 (vgl. R404A GWP = 3780, laut TER ) macht CO₂ zum idealen, umweltfreundlichen Kältemittel.

Der wissenschaftliche Hintergrund
Die physikalischen Eigenschaften von CO₂ unterscheiden sich deutlich von denen der synthetischen Kältemittel. Die hohe volumetrische Kälteleistung und der exzellente Wärmeübergang sind hierbei als positiv herauszustellen. Vor allem aber der hohe Tripelpunkt (-56,56° C) und der niedrige kritische Punkt (31,06° C/73,8 barabs) erschweren den Umgang mit CO₂. Darüber hinaus erhöht sich bei transkritischem Betrieb (Austritt Gaskühler/Kondensator > 31° C) der Energieverbrauch ungünstig.
Um diese Probleme sicher zu beherrschen und gleichzeitig auch für den transkritischen Betrieb günstige, energetische Lösungen zu entwickeln, hat die kke mit der TU Dresden als wissenschaftlichen Partner, eine CO₂ Versuchsanlage auf ihrem Firmengelände geplant und installiert. Diese Versuchsanlage simuliert die tatsächlichen Bedingungen eines Supermarktes von etwa 850 bis 1.000 m² Verkaufsfläche.

Das Projekt
Die Anlage ist sowohl in der Tiefkühlung als auch der Normalkühlung als Verbundanlage mit CO₂- Direktverdampfung ausgeführt. Die Kälteleistung beträgt jeweils am Auslegungspunkt ca. 20 kW (NK) bzw. ca. 10 kW (TK).
Mit dieser Anlage ist eine transkritische Arbeitsweise möglich. Zwei wesentliche und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie in diesem Projekt geförderte Kompetenzpunkte sind eine Heißgasabtauung und die von der TU Dresden entwickelte Expander-Kompressor-Einheit. Beide Maßnahmen versprechen den Energieverbrauch von gebräuchlichen CO₂-Anlagen erheblich zu senken.

Unsere Ziele
Nach Installation und Inbetriebnahme der gesamten Anlage, werden alle anlagenrelevanten Daten wie Laufzeiten, Temperaturen und Energieverbräuche registriert. Nach ca. 5-6 Wochen Laufzeit wird die Anlage mit der von der TU Dresden entwickelten Expander-Kompressor-Einheit nachgerüstet.
Die resultierenden Daten sollen mit Messwerten und Verbrauchsdaten einer Anlage mit konventionellen Hochdruck- und Flashgasbypassventil verglichen werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollen zu einem optimalen Regelungskonzept für den Expander bzw. die gesamte Anlage führen, das den beschriebenen energetisch ungünstigen, transkritischen Betrieb kompensiert.
Darüber hinaus sollen verschiedene Testreihen durchgeführt werden. Dabei wollen wir Erkenntnisse zu
• bedarfsgerechter Abtauung
• dem Energieeinsparpotenzial von Schiebedeckeln bei Tiefkühlinseln und Drehtüren
    bei Wandkühlregalen
• dem Einsatz von (gebrauchten) Standardkühlmöbeln für CO₂-Anlagen
• dem Einsatz von Energiesparlüftern
u.a.m. sammeln.
Ein weiteres und für kke sehr wichtiges Ziel, ist die Ausbildung und Schulung der eigenen Mitarbeiter an dieser Anlage. Damit werden wir in die Lage versetzt, unseren Kunden auch diese relativ neue und anspruchsvolle Technologie von Anbeginn in der gewohnten Qualität bei Neubau und Service anbieten zu können.

CO₂ - Vorteile und Fakten
In der Anwendung
• Bei Leckagen keine Schäden am Produkt
• Hohe Produktqualität und hoher Produktdurchsatz in Gefrieranlagen
• Weltweite und auch künftige Verfügbarkeit
• Preisgünstig
• Einstoff-Kältemittel, keine Entmischung möglich

Die Investition
• Kleinere, kompaktere Anlagen
• Kleine Rohrquerschnitte
• Verträglich mit gebräuchlichen Metallen

Die Energiekosten
• Guter Wärmeübergang
• Kleiner Druckverlust
• Hohe Energieeffizienz bei niedrigen Temperaturen

Umwelt und Sicherheit
• Natürliches Kältemittel
• Treibhauspotenzial klein
• Nicht toxisch
• Nicht brennbar
• Kann an die Umgebung abgelassen werden DIN EN 378

Unser Partner für Forschung und Entwicklung
— die Technische Universität Dresden

Die Kältetechnik an der TU Dresden kann auf eine sehr lange Tradition zurückblicken. Seit April 2010 leitet Prof. U. Hesse die Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik. An der Professur forscht man seit über 10 Jahren mit dem natürlichen Kältemittel CO₂. Zu dieser Thematik wurden schon viele Veröffentlichungen auf international renommierten Tagungen gehalten. Unter anderem beschäftigt man sich mit CO₂-Pellets, dem Wärmeübergang bei der Verdampfung, Wärmepumpen und Wärmepumpenschaltungen sowie Komponenten für Kälteanlagen. Ein sehr innovatives Produkt zur Steigerung der Effizienz eines CO₂-Kreislaufes ist eine an der Professur entwickelte Expander-Kompressor-Einheit (ECU). Diese ersetzt das Drosselventil durch eine arbeitsleistende Entspannung und kann den Energieverbrauch von CO₂-Kälteanlagen an warmen Tagen um ca. 25% und im Jahresdurchschnitt um etwa 15% senken. Erste Versuche an der eigenen Testanlage bestätigten das erwartete Einsparpotenzial.