Innovatives Kühlsystem

Dezentrale Energieversorgung für mittelständische industrielle Anwendungen durch innovative Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage

Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Optimierung eines Kühlsystems für Kälte leistungen bis max. 100 kW, das auf einer Kombination aus KWK-Technologie und Absorptions technik aufbaut. Das System soll für industrielle Anwendungen sowohl Kälte als auch elektrische Energie umweltfreundlich und finanziell attraktiv bereitstellen. 

Da in nahezu sämtlichen industriel len Bereichen gleichzeitiger Bedarf an elektrischer Energie und Kühlenergie besteht, ist die neue Technologie universell einsetzbar. Aufgrund der CO2-Problematik sowie den steigenden Energiekosten stehen insbesondere diejeni gen Industriezweige unter hohem Druck, die einen hohen Energiebedarf aufweisen. Hierzu zählen unter anderem die Aluminiumindustrie ‚(>Eloxalbeschichtung) und die Kunststoffindustrie (> Spritzgießverfahren), bei deren Prozessen vielfach neben Strom auch Wärme und/oder Kälte benötigt wird. Aufgrund der noch immer ungelösten Leitungsproblematik wird zudem die dezentrale Energieversorgung mittelfristig einen besonderen Stellenwert haben.

Die Projektidee sieht eine Kombination aus BHKW (Diesel-/Gasmotor mit Genera tor,) und Absorptionskälteanlage (Kälteniveau bis -10°C, Kälte leistung <100 kW) mit computergestützter Prozesssteuerung vor. Weitere Aufgabenstellungen sind die Entwicklung einer modifizierten Abgaswärmenutzung, um Temperaturen für den Austreiber im Bereich von 95 – max. 120°C zu realisieren, und die Nutzung der Überschusswärme aus der Stromerzeugung. Letztlich soll das Gesamtsystem so flexibel gestaltet werden, dass es für viele Anwendungen geeignet ist und jeweils mit geringem Aufwand an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden kann.

Bisher erzielte Ergebnisse

Die Zielstellung, die Erreichung eines Kälteniveaus von bis zu -10°C, wird mit dem bestehenden System bisher nur eingeschränkt erreicht. Das Erreichen der Temperaturen ist lastabhängig. Bei günstiger Last wurden mit der jetzigen Absorptionsanlage maximal -8°C erreicht. 

Die angestrebte Kälteleistung im Bereich von 50 bis 100 kW ist in Ansätzen im unteren Leistungsbereich erreicht worden, nicht aber im Dauerbetrieb. 

Durch den Einsatz einer Niedertemperaturabsorptionsanlage werden die angestrebten Austreibertemperaturen von 95°C bis maximal sogar 120°C unnötig. Die neue Anlage benötigt bei einer Leistung von 50 kW Austreibertemperaturen von nur 85 – 95°C, was eine enorme Verbesserung darstellt. Diese Temperaturen können fast erreicht werden. Die Revision des jetzigen Wärmetauschers wird dafür notwendig.

Der angestrebte COP (Coefficient of Performance) von 0,7 kann noch nicht erreicht werden. Realisiert wurde bisher ein COP um 0,4. Eine Brennstoff- und somit CO2 – Einsparung von 10% kann realisiert werden. 

Die Nutzung der Überschusswärme aus der Stromerzeugung zu Heiz- und Trocknungszwecken kann durch den Einsatz von Wärmetauschern, die die Wärme des Motorkühlwassers und des Abgases in das Gesamtsystem einbinden, realisiert werden. Die Anlage ist modular aufgebaut, so dass sie an verschiedene Anwendungen angepasst werden kann.

Der realisierte Demonstrator zeigt, dass eine innovative Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage zur dezentralen umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Bereitstellung von Kälte, elektrischer Energie und Wärme für industrielle Anwendungen technisch lösbar ist. Insbesondere bei der Kälteerzeugung rechnet sich die gemeinsame Nutzung von Abgasenergie und Motor-Kühlwasser-Energie. Durch weitere Optimierungen kann darüber hinaus zusätzlich die Restwärme des Abgasstromes zur Erwärmung von Wasser oder zur Klimatisierung bzw. Trocknung genutzt werden.

Weitere Schritte bis zur Fertigungsreife und Vermarktung dieser Technologie sind Verbesserungen, z.B. am Wärmetauscher sowie eine Verkleinerung der Anlage auf die Größe eines Containers, ausgestattet mit einem modernen und sparsamen Motorgenerator und integrierter Kälteanlage.

COP

Abb.: Verlauf des COP (Coefficient of Performance) im Testlauf

Dank

Wir danken dem Land Nordrhein-Westfalen, das im Rahmen der Landesinitiative Zukunftsenergien NRW das Programm „Rationelle Energieverwendung und Nutzung unerschöpflicher Energiequellen – REN“ förderte, in dem wir unser Forschungsprojekt „Innovatives Kühlsystem für industrielle Anwendungen“ einbringen konnten. Ohne diese Förderung wäre das Projekt für ein mittelständisches Unternehmen nicht durchführbar gewesen.

Des Weiteren danken wir dem Projektträger Forschungszentrum Jülich, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Lothar Funk und seinem Team, für die hervorragende Unterstützung in fachlichen und formellen Belangen.

Nicht zuletzt danken wir den am Projekt Beteiligten, Herrn Prof. Dr. Ingo Romey und Herrn Dipl.-Phys. Dirk Caemmerer für Ihre Beiträge zum Projekterfolg. Unser besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Robin Strehl und Herrn Peter Götz für Ihre wertvolle Hilfe.