Eisspeicher oder direkte Wasserkühlung (2)

Fällt die Kälteanlage aus, so hat die Eiswasseranlage noch eine Notkühleigenschaft, in dem der vorhandene Eisansatz abgeschmolzen und das große Wasservolumen von 1 – 2 °C erwärmt werden kann. Beim Ausfall des Flüssigkeitskühlsatzes gibt es keinerlei Leistungsreserven.

Obwohl die zuvor genannten Punkte oftmals einen deutlichen Vorteil für die Eisspeicheranlage darstellen und auch die Kostensituationen in vielen Bereichen sehr günstig ist, sind die große notwendige Aufstellfläche und die große Kältefüllmenge bei direkt verdampfenden Eisspeicheranlagen ein Argument vieler möglicher Betreiber, sich gegen den Einsatz einer Eisspeicheranlage zu entscheiden.

Eine Lösung aus diesem Dilemma bietet ein neu konstruierter Eisspeicher, der als Messeneuheit vorgestellt wurde.

Dieser neue Eisspeicher ist ein Eisspeichersilo in Modulbauweise (Bild 6.1 – 6.3), was den Vorteil der nachträglichen Leistungsanpassungen hat. Jedes Speichermodul hat eine Speicherkapazität von etwas über 1.000 kWh und in einem Eisspeichersilo können bis zu 10.000 kWh Speicherkapazität realisiert werden.

Der Aufbau des Eisspeichersilos ist ausgesprochen einfach und es werden nur korrosionsfeste Materialien verwendet. Der Silotank besteht aus Edelstahl und wie auf Bild 7 zu erkennen ist, sind die Rohre, an denen Eis angespeichert wird, aus Highdensity-Polyethylen. Diese Rohre sind in mehreren Metallgittern eingefädelt, sodass eine leichte, aber sehr stabile Konstruktion entstanden ist. Selbst bei 35 mm Eisansatz kann das Wasser aus dem Eisspeichersilo abgelassen werden und die Konstruktion bleibt trotz des hohen Eisgewichtes nach wie vor stabil. Dieser neue Eisspeichersilo wird mit indirekter Kühlung betrieben, wie in Bild 8 schematisch dargestellt. Im Wesentlichen besteht das Silo aus 3 verschiedenen Modultypen, dem Basismodul, welches die Eiswasserrücklaufverteilung enthält sowie die Eiswasservorlauf-entnahme, dem Speichermodul,
mit den speziellen Polyethylenrohren und dem Kopfmodul, was im Wesentlichen das Rührwerk, den Eiswasserüberlauf, die Nachspeisung sowie Messtechnik aufnimmt.

Auf der Wasserseite sorgt das Rührwerk für eine ständige Umwälzung des Wassers während des Entladungsspeichers, in dem Wasser in einem zentrisch angeordneten Kanal nach unten gedrückt wird, im Basismodul sich mit dem warmen Rücklaufwasser vermischt und damit die Eintrittstemperatur des Wassers in die Speichermodule deutlich reduziert.

Damit strömt leicht erwärmtes Wasser von unten nach oben durch die Speichermodule und wird auf dem Weg zum Kopfmodul auf 0,5 °C ab gekühlt. Die Eisdicke baut sich von unten nach oben ab. Die Eintrittstemperatur des Kälteträgers eines jeden Speichermoduls beträgt –9 °C. Als Kälteträger bietet sich beispielsweise ein Ethylenglykol/Wassergemisch von 35 % Volumen an. Eine Austrittstemperatur von –6 °C hat sich bewährt, damit der Unterschied in der Eisstärke zwischen Ein- und Austritt möglich gering gehalten wird. Dennoch gibt es einen unterschiedlichen Eisansatz aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt, der jedoch wiederum nicht durch aufwendige Regelungstechnik kompensiert wird, sondern indem die verschiedenen Rohrebenen unterschiedlich durchströmt werden.

Jede zweite Rohrebene wird von außen nach innen durchgeströmt und die dazwischenliegenden Rohrebenen in Gegenrichtung. Das hat zur Folge, dass der Spalt zwischen den eisbesetzten Rohren an jeder Stelle gleich groß ist und damit eine gleichmäßige Wasserverteilung realisiert werden kann. Die niedrige Glykoleintrittstemperatur lässt bei der indirekten Kühlung vermuten, dass die Betriebsweise sehr unwirtschaftlich ist und somit die Wirtschaftlichkeit dieses neuen Eisspeichers in Frage gestellt werden könnte.

Ein konkreter Wirtschaftslichkeitsvergleich zwischen einem klassischen Eisspeichersilo mit direkter Verdampfung und der Messeneuheit, dem Eisspeichersilo mit indirekter Kühlung zeigt den hohen wirtschaftlichen Gesamtnutzen des neuen Systems. Eine Molkerei benötigt ein neues Eisspeichersystem, wobei die vorhandenen Verdichter und Verflüssiger weiterhin verwendet werden sollen. Der Systemvergleich wurde hier in der folgenden Tabelle (Bild 9) dargestellt, wobei die Jahresmittelwerte bei der Betrachtung berücksichtigt wurden.


Bei einer Laufzeit von ca. 7 Stunden können beide Eisspeichersysteme problemlos nachts betrieben werden, was aufgrund der niedrigeren Außenlufttemperatur zu niedrigeren Verflüssigungstemperaturen führt. Damit können die vorhandenen Verdichter bei höheren Kälteleistungen mit geringeren Antriebsleistungen (besserer COP) betrieben werden.

Gegenüber dem direktverdampfenden klassischem Eisspeichersilo mit einer Verdampfungstemperatur von –7 °C muss bei dem neuen Eisspeicher durch die indirekte Kühlung eine Verdampfungstemperatur von –10 ,5 °C gehalten werden. Der vorhandene Verflüssiger kann aufgrund der höheren Kälteleistung bei der direktverdampfenden Lösung bei 23 °C Verflüssigungstemperatur betrieben werden, wohingegen die indirekte Kühlung, also das neue Eisspeichersilo wegen der geringeren abzuführenden Leistung bei 22 °C Verflüssigungstemperatur betrieben werden.

Die niedrige Außenlufttemperatur ermöglicht die Verwendung der Dahlander-Motoren bei niedriger Drehzahl, sodass nicht nur ein leiserer Betrieb, sondern auch lediglich 3,8 kW Lüfterleistung anfallen. Das klassische, direkt verdampfende Eisspeichersilo kann mit 3.500 kWh Speicherkapazität geliefert werden, benötigt eine Ammoniak-Pumpe mit 4 kW Antriebsleistung und einem Rührwerk mit 5,8 kW Antriebsleistung. Dahingegen kann das neue WITT-Eisspeichersilo mit einer Speicherkapazität von 3.231 kWh geliefert werden, benötigt eine Glykolpumpe von 11 kW und ein Rührwerk von 4 kW Antriebsleistung.

Wie zu erwarten, ist der Energieaufwand der indirekten Kühlung größer, wenngleich der Unterschied der beiden Systeme aufgrund der niedrigeren Verflüssigungstemperatur moderat ausfällt.

Die aufgrund der Eisspeicherkapazität der Silos und den entsprechenden Energieaufwänden theoretische Laufzeit der Maschinen beträgt unter 7 Stunden. Multipliziert man den jeweiligen Energieaufwand mit der entsprechenden theoretischen Laufzeit der Maschinen, so erhält man für jedes System den Energieaufwand pro Tag. Multipliziert mit 365 Tagen und 9 Cent pro kWh erhält man die jeweiligen Betriebskosten pro Jahr.

Wie man in der Tabelle deutlich sehen kann, ist die Mehraufwendung der Betriebskosten für das ungünstigere, indirekte, neue Eisspeichersilo lediglich knapp über 2.000 € pro Jahr. Die Investitionskosten sind aber bei dem neuen Eisspeichersilo ca. 90.000 € günstiger, als bei dem klassischen Eisspeichersilo, was zu einer Brake-even-Zeit von über 44 Jahren führt. Eine Verzinsung der Investkostenersparnis ist dabei noch nicht berücksichtigt. Das bedeutet, wenn beide Systeme parallel installiert und am gleichen Tag in Betrieb gehen würden, das dass klassische Eisspeichersilo mit den günstigeren Betriebeskosten erst nach über 44 Jahren genauso wirtschaftlich ist, wie die Messeneuheit, das WITT-Eisspeichersilo.