Eisspeicher oder direkte Wasserkühlung (1)

Bei der Vielfalt von reglungstechnischen Möglichkeiten, wie sie auch auf der IKK 2005 in Hannover vorgestellt wurden, scheint der Einsatz von klassischen Eisspeicheranlagen nicht mehr zeitgemäß.

Eine direkte Wasserkühlung beispielsweise in Form von Kaltwassersätzen ermöglicht mit viel Regelungstechnik mittlerweile die Abkühlung von Wasser auf sehr niedrige Vorlauftemperaturen. Das jedoch Eisspeicher erhebliche Vorteile mit sich bringen, die über die niedrige Wasservorlauftemperatur hinausgehen, zeigt der folgende Beitrag:

Von jeher war der Eisspeicher hauptsächlich für die Nachtstunden in das Kälteversorgungs-konzept von Betrieben vorgesehen. An einem klassischen Beispiel einer Brauerei speziell der Würzekühlung kann man die Vorteile des Eisspeichers verfolgen.

In Bild 1 ist im oberen Teil des Diagramms der Lastverlauf bei der Würzekühlung einer großen Brauerei gezeigt. Die abzuführende Spitzenlast beträgt 420 kW und wird von regelmäßigen Sudpausen unterbrochen. Beim Einsatz eines Eisspeichers benötigt man lediglich 2 x 164 kW Kälteleistung, die jedoch, wie im unteren Teil des Diagramms dargestellt, lediglich nachts anfallen. Von morgens ca. 7:30 Uhr bis abends 20:00 Uhr werden die Verdichter nicht benötigt. Erst in den Nachtstunden wird Eis auf die Eisspeicheranlage angespeichert.

Auf Bild 2 ist der Verlauf der Eisstärke der Eisspeicheranlage dargestellt. Man sieht sehr deutlich, die treppenartige Abschmelzung oder Anspeicherung des Eises aufgrund der periodisch anfallenden Wärmelasten. Die von 7:30 Uhr an abgestellten Kältemaschinen tragen nicht mehr zur Abfuhr der Wärmelast bei, sodass, wie im Bild 2 dargestellt, die Eisstärke von ca. 34 mm bis 20:00 Uhr auf 0 mm abgebaut wird. Um nun die Kälteversorgung der Würzekühlung weiter aufrecht zu erhalten, müssen die beiden Verdichter wieder eingeschaltet werden, was einerseits zur Abfuhr der Wärmelast beiträgt, andererseits zum langsamen Aufbau des Eispelzes. Würde man für den gleichen Lastenverlauf einen Kaltwassersatz einsetzen, müsste eine Kältemaschine mit einer maximalen Kälteleistung von 420 kW installiert werden.

Aufgrund der größeren Kälteleistung müsste auch ein größerer Verflüssiger installiert werden, die Rohrleitungsdimension, sowie die Armaturen würden größer ausfallen, der Regelungsaufwand der Anlage würde steigen und der Schaltschrank benötigt einen größeren Hauptschalter sowie größere Leistungsteile. Der enorme Vorteil der Eisspeicheranlage wird im Falle des Ausfalls eines Verdichters sehr deutlich. Bei der direkten Wasserkühlung, also bei der Verwendung eines Kaltwassersatzes müsste man eine 100 %ige Redundanz bereitstellen, d. h. zwei 420-kW-Verdichter, damit, falls einer ausfallen sollte, die Würzekühlung weiter durchgeführt werden kann.

Bei der Eisspeicheranlage ist das nicht zwangsläufig notwendig, wie auf dem Bild 3 zu erkennen ist. Betrachtet man wieder den gleichen Fall der Würzekühlung, wie in Bild 1 vorgestellt, so muss der verbleibende 164-kW-Verdichter der Eiswasseranlage rund 21 Stunden durchlaufen, wie im oberen Teil in Bild 3 dargestellt, um die Kälteversorgung aufrechtzuerhalten. Der Verlauf der Eisstärke variiert dabei um 6 bis 8 mm, das bedeutet, dass beim Durchlauf der Maschine die Eisabschmelzung die fehlende Kälteleistung der verbleibenden Maschine abdeckt und in den Sudpausen diese Maschine einen Teil des Eises wieder aufbauen kann. In diesem speziellen Fall wurde sogar erreicht, dass in der Mittagszeit bei der üblicherweise die hohen Stromspitzen anfallen, die Maschine für 3 Stunden ausgestellt werden kann. Bei der Betrachtung wurde davon ausgegangen, dass der Ausfall der zweiten Kältemaschine bei einer Eisstärke von rund 33 bis 35 mm geschieht.

Was nun, wenn der Eisspeicher gerade komplett entleert ist, wenn die zweite Kältemaschine ausfällt? Nun, dieser Extremfall würde zur Folge haben, dass lediglich 2 bis 3 Sude ausfällen müssen, bis die verbleibende 164-kW-Maschine wieder ca. 10 cm Eis aufgebaut hat. Noch extremer werden die Vorteile einer Eisspeicheranlage deutlich, wenn Betriebe mit hohen Tagesspitzenlasten betrachten werden, die aber in der Nacht oder in den Abendstunden keine oder nur eine sehr geringe Kälteleistung benötigen. Dies betrifft oft lebensmittel-verarbeitende Industrien, wie Molkereien, Süßwarenindustrie, aber insbesondere auch die Klimatisierung von großen Hallen und Gebäuden.

Ein konkreter kostenmäßiger Vergleich von Eisspeicheranlagen und Kaltwassersätzen würde sehr exakte Randbedingungen voraussetzen, daher soll hier ein tendenzieller Kostenvergleich die Möglichkeiten der beiden Systeme darstellen (Bild 4). Anhand des Beispiels der Würzekühlung einer Brauerei wurde bereits gezeigt, dass die Verdichter in Verbindung mit einer Eisspeicheranlage deutlich kleiner ausfallen können, was einen erheblichen Kostenvorteil darstellt.

Aufgrund der geringeren installierten Kälteleistung und der geringeren Antriebsleistung muss folglich auch ein viel kleinerer Verflüssiger installiert werden. Der Einsatz des Verdampfers ist beim Kaltwassersatz, also der direkten Kühlung, allerdings deutlich kostengünstiger und platzsparender zu realisieren. Die benötigten Rohrleitungen und Armaturen haben bei der Eisspeicheranlage eine geringere Nennweite. Der Regelungsaufwand beim Kaltwassersatz ist deutlich höher, wenn das Ziel Wassertemperaturen nahe des Gerfrierpunktes erreicht werden soll.

Eine schnelle, sehr exakte Regelung und der Einsatz von Frequenzumrichtern für den Verdichter oder wahlweise eines sehr schnellen, exakten Motoreinspritzventils sowie die Installation einer Heißgasbremse, um drohende Einfriergefahr zu beherrschen, ist bei der direkten Kühlung unabdingbar. Die Kosten für die Regelung sind daher für die Eisspeicheranlage erheblich geringer. Sehr oft wird nach diesem letzten Punkt die Betrachtung zwischen den beiden Systemen abgebrochen, was jedoch ein verzerrtes Ergebnis darstellt. Insbesondere die Wartungskosten müssen bei der Betrachtung über längere Zeit mit einbezogen werden. Aufgrund der kleineren Verdichter und der schonenderen Betriebsweise, üblicherweise laufen die Maschinen nachts durch, sind die Wartungskosten gegenüber der direkten Kühlung erheblich geringerer. Ebenso kann der notwendige Mittelspannungstrafo kleiner ausgelegt werden oder ein bestehender Trafo wird nicht dermaßen belastet.

Zu guter Letzt sind die Vermeidung von Stromspitzen noch ein erheblicher Kostenfaktor, der bei der direkten Kühlung nur durch Abschaltung, entweder der Kühlung oder anderer Stromverbraucher realisiert werden kann. Die Betriebe haben mit ihrem Stromversorger einen Vertrag abgeschlossen, der bestimmte Stromlasten vorsieht. Werden diese überschritten, so wird jede darüber liegende kWh Strom überproportional teuer, daher ist die Betrachtung von Stromspitzen für Großverbraucher von entscheidender Bedeutung.

Anhand dieser so genannten harten Faktoren könnte man einen konkreten Kostenvergleich durchführen, der je nach Randbedingungen, für die direkte Kühlung sprechen könnte, allerdings auch für den Einsatz einer Eisspeicheranlage. Darüber hinaus gibt es aber noch die so genannte weiche Faktoren, die je nach Betrieb, von unterschiedlicher Wichtigkeit sind und kostenmäßig nicht direkt bewertbar sind.

In der Tabelle (Bild 5) sind die wesentlichen Faktoren des Anwendungsvergleichs abgebildet. Als wichtigster Faktor ist ganz oben in der Tabelle die Wasservorlauftemperatur aufgeführt, die bei Eiswasseranlagen problemlos < = 0,5 °C beträgt. Bei der direkten Kühlung sind sicherlich Temperaturen unter 1,5 °C aber auch von ca. 1 °C möglich. Eine weitere Absenkung der Wasservorlauftemperatur bedeutet eine aufwendige Regelung, die auch sehr empfindlich auf die Veränderungen der Stellgröße reagiert. Dadurch ist die Einfriergefahr bei der direkten Kühlung sehr groß, was bei der Eisspeicheranlage absolut unproblematisch ist. Variable Volumenströme und veränderlich Rücklauftemperaturen sind die Stellgrößen auf die die Regelungen am empfindlichsten reagiert. Betrachtet man einen Betrieb, wie z. B. eine Molkerei, bei der sehr viele verschiedene Verbraucher an das Kälteversorgungsnetz angeschlossen sind, die bei ganz unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, so kommt es tagsüber zu häufigem Zu- und Abschalten der verschiedenen Verbrauchern und damit zu sehr schwankenden Volumenströme.

Des Weiteren werden häufig die Verbraucher heiß gereinigt, sodass aus diesem Strang häufig Wasser mit hohen Rücklauftemperaturen zum Verdampfer gelangt. Aufgrund des großen Wasservolumens, aber auch des Eisansatzes kompensiert die Eisspeicheranlage solche Schwankungen extrem, sodass für den Verdampfer keine störende Wirkung auftritt. Beim eingesetzten Kaltwassersatz dagegen werden solche Störungen zu einem erheblichen Problem. Es ist beispielsweise nicht untypisch in solchen Betrieben, dass der Volumenstrom von 200 bis 300 m3/h schlagartig auf deutlich unter 100 m3/h abfällt.

Wenn in dieser Phase der niedrigen Volumenströme auch noch Geräte gereinigt werden und hohe Rücklauftemperaturen zu verzeichnen sind, so kocht das Kältemittel im Verdampfer des Kaltwassersatzes auf und ein Teil des Kältemittels wird aus dem Verdampfer herausgedrückt. Erhöht sich aufgrund der betrieblichen Anforderung nun der Wasservolumenstrom wieder schlagartig, wird demnach eine erhöhte Verdichterleistung gefordert, die aufgrund des geringen Kältemittelvolumens im Plattenverdampfer jedoch häufig zu Unterdruckstörungen führt. Eine sichere Betriebsweise ist somit nicht möglich. Um dieses Problem sicher zu beherrschen, muss eine große hydraulische Weiche vorgeschaltet werden, die einen weiteren Kostenfaktor für den Kaltwassersatz darstellt.

Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn nach einer Phase der hohen Kälteleistung, also bei größeren Volumenströmen, plötzlich nur noch eine geringe Kälteleistung benötigt wird, ggfs. von Verbrauchern, die bei geringerer Wassertemperatur an kleinerem ∆t arbeiten, steht akute Einfriergefahr, wenn die Regelung nicht schnell genug ist. Eine schnelle Regelung bedeutet häufig aber auch ein Überschwingen, was die Belastung für den Verdichter erhöht. Man kann davon ausgehen, dass ein Startbetrieb eines Verdichters ungefähr der Belastung von 10 bis 15 Stunden konstanter Laufzeit entspricht. Viele periodisch auftretende Lastfälle, wie sie anfangs bei der Brauerei gezeigt wurde, führen zu einem stärkeren Verschleiß der Verdichter bei der direkten Wasserkühlung mittels Kaltwassersatzes.

Die Anpassung an Laständerung ist durch die Eisspeicheranlage absolut unproblematisch, weil die Kälteleistung über das Abschmelzen des vorhandenen Eises oder/und die Abkühlung des kalten Wassers im Eisspeicherbecken realisiert wird. Bei der direkten Kühlung in Verbindung mit Kolbenverdichtern könnte eventuell ein Hin- und Herpendeln zwischen zwei Leistungsstufen notwendig werden, wenn die Verdichter nicht mit Frequenzumrichter betrieben werden.