Ein Kältespeicher (KS) kann in einer Fernkälteanlage eingesetzt werden, wenn es schwankende Bedarfswerte gibt. Sie werden in der Regel zwischen den Kälteerzeugern und den Verbrauchern der Anlage (Pufferspeicher) eingesetzt. Dadurch können die Kälteerzeuger konstant im optimalen Betriebsbereich gefahren werden, um die Temperatur im Kältespeicher zu senken. Und auf der anderen Seite können die Verbraucher die benötigte Kälte bedarfsgerecht aus dem Speicher entnehmen. In diesem Fall arbeiten beide Seiten des Systems vollkommen unabhängig voneinander. Um z. B. Windstrom und/oder Strom von einer Photovoltaikanlage für die Kältemachinen optimal zu nutzen, werden die Speicher auch parallel zum System geschaltet.
Kältespeicher unterscheiden sich in der Bauart. Die einfachste Ausführung sind Wasserspeicher (oberirdische Tanks, Erdtanks). Außerdem werden PCM-Speicher (Speicher mit phasenwechselnden Materialien) und Sorptionsspeicher eingesetzt.
Wasserspeicher
Das Wasser in dem Kältespeicher (ober- und unterirdische Wasserspeicher, Pufferspeicher, Hydraulische Weiche) wird durch eine Kältemaschine abgekühlt (0 - 6 °C). Die angeschlossene Anlage entnimmt das kalte Wasser und bringt das erwarmte Kühlwasser in den Speicher zurück.
Da der Kältespeicher im Gegensatz zu Warmwasserpufferspeichern mit sehr kleinen Temperaturdifferenzen (4 - 6 K) arbeitet, kommt es auf eine stabile Schichtung des Wassers an. Das Wasser am Speicherboden bleibt dabei lange kühl, während sich der Speicher allmählich von oben nach unten erwärmt. Auf diese Weise bekommt die Anlage auch dann noch kaltes Wasser, wenn der Vorrat sehr knapp ist. Ohne Schichtung würde sich hingegen schneller eine mittlere Wassertemperatur einstellen. Die Speicherkapazität würde sinken und die Kältemaschine müsste öfter takten. Erreichen lässt sich die Schichtung durch strömungsberuhigende Bleche oder die Be- und Entladung auf unterschiedlichen Höhen.
Die Speicher benötigen eine sehr gute Dämmung, damit der Wärmeeintrag aus der Umgebung reduziert und Kondensation an der Außenwand verhindert werden.
Kältespeicher (KS) arbeiten mit kleinen Temperaturdifferenzen (4 - 6 K) und arbeiten deswegen mit einem hoher Volumenstrom mit großen Rohrquerschnitten und Speichern. Da die räumlichen Da die Speicher oft zu klein dimensioniert sind, müssen sie eine sehr gute Temperaturschichtung im Speicher haben. Mit thermohydraulischen Schichtweichen bzw. objektspezifisch berechneten und gefertigten Schichtungseinbauten wird eine perfekte geschichtete Be- und Entladung garantiert. Der Kältespeicher wird damit zur strömungsberuhigten Zone und zum optimalen Kältepuffer.
Da bei den niedrigen Temperaturen an der Behälteroberfläche es zur Kondensation kommen kann, ist eine spezielle Oberflächenbehandlung und sehr gute Dämmung notwendig. Als Korrosionsschutz wird eine 2K-Epoxy-Zinkstaubfarbe als Speichergrundierung verwendet. Kältespeicher können je nach Anforderungsprofil natürlich auch aus rostbeständigem Edelstahl 1.4301(V2A) gefertigt werden.
Die Adsorptionswärmepumpe bzw. Adsorptionskältemaschine arbeitet mit einem festen Lösungsmittel, dem "Adsorbens", an dem das Kältemittel ad- bzw. desorbiert wird. Dem Prozess wird Wärme bei der Desorption zugeführt und bei der Adsorption entnommen. Da das Adsorbens nicht in einem Kreislauf umgewälzt werden kann, kann der Prozess nur diskontinuierlich ablaufen, indem zwischen Ad- und Desorption zyklisch gewechselt wird.
Funktionsprinzip einer Adsorptionskältemaschine
Eine Adsorptionskältemaschine besteht aus zwei mit Sorptionsmittel (Zeolithe, Silikagel, Aktivkohle) gefüllten Arbeitskammern, einem Kondensator und einem Verdampfer. Als Sorptionsmittel wird Silicagel und als Kältemittel Wasser eingesetzt. Der Prozeß arbeitet mit Unterbrechungen und geschlossen.
Ein Arbeitszeitraum hat folgende Arbeitstakte:
1. Das an das Silicagel angelagerte Wasser wird im Wärmeübertrager unter Wärmezufuhr ausgetrieben.
2. Das Wasser wird im Kondensator verflüssigt und Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
3. Das Kondensat wird in den Verdampfer eingesprüht und bei starkem Unterdruck verdampft. Dabei wird Wärme aus dem Kaltwasser entnommen und dieses dabei auf die für die Anlage erforderliche Temperatur abgekühlt.
4. Im Wärmeübertrager wird der Wasserdampf adsorbiert und die entstehende Wärme an das Kühlwasser abgeführt.
Durch einfaches Umkehren des Heiz- und Kühlwasserkreislaufs zwischen den Wärmeübertragern werden die Funktionen Austreiber und Adsorber am Ende eines Arbeitszeitraumes vertauscht und der Prozess beginnt von neuem. Im Auslegungszustand dauert ein Arbeitszeitraum 400 Sekunden.
Zwischen zwei Arbeitszeiträumen liegt noch eine Umschaltphase von 20 Sekunden, so dass der Gesamtzeitraum sieben Minuten dauert. Während der Umschaltphase werden beide Kammmern in Reihe durchströmt, so dass auch noch Wärme zurückgewonnen wird.
Im Normalfall wird hierbei nur die sensible Wärme für die Kammeraufheizung zurückgewonnen. Wenn jedoch nur ein geringer Temperaturhub erforderlich ist, beginnt die Adsorption bereits in der Umschaltphase, so daß nicht nur sensible Wärme, sondern auch Adsorptionsenthalpie zurückgewonnen werden kann.
Phasenwechselmaterialien ([phase change material] PCM - Latentwärmematerial) können zur Wärme- und Kältespeicherung (Latentspeicher) und zur Begrenzung von Temperaturspitzen (Überhitzungsschutz) eingesetzt werden. Durch die Nutzung des Phasenwechsels (fest-flüssig oder flüssig-fest) verfügt das Material über ein hohes Speichervolumen, da die Wärmekapazität um ein vielfaches höher (ca. 4mal) ist als herkömmliche Materialien bzw. Medien.
Durch den Phasenwechsel verschiedener Materialien (Wasser oder Paraffine) werden deutlich mehr Energie freigesetzt als die Temperaturerhöhung um wenige Kelvin. Deshalb eignen sich phasenwechselnde Materialien (PCM) zur Wärme- als auch zur Kältespeicherung. Eine Kältemaschine entzieht Wasser Wärme und kann dieses vereisen (Phasenwechsel von flüssig zu fest). Um den Kältespeicher (Eisspeicher) zu entladen, erwärmt die angeschlossene Anlage den Speicher mit dem wärmeren Rücklauf der Kühlflüssigkeit. Dabei taut das Eis und der Kühlflüssigkeit viel Wärme entzogen wird. Dabei kühlt das Wasser ab und fließt mit niedrigeren Temperaturen in die Anlage zurück.
Hydraulische Weiche als Latentspeicher
Bei dem Einsatz von umweltfreundlichen Kältemitteln (Propan oder Ammoniak) kommen durch die speziellen Eigenschaften dieser Kältemittel (brennbar/toxisch) fast ausschließlich Kaltwasser- oder Kaltsolesysteme für den "Kälte"-Transport vom Flüssigkeitskühler zu den Kühlstellen zum Einsatz.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Anlagen ist die "Hydraulische Weiche", die zwischen Kälteerzeuger/Flüssigkeitskühler und den einzelnen Kühlräumen oder Kühlmöbel eingebaut wird. Eine für diesen Zweck entwickelte hydraulische Weiche für ein Kaltwasser-/ Kaltsolesystem kann ohne großen Aufwand zu einem PCM-Latentspeicher erweitert werden. Durch diese Erweiterung wird im Kaltwasser-/ Kaltsolesystem eine große Mengen an "Kälteenergie" auf kleinstem Raumvolumen eingespeichert werden.
Hierfür werden PCM-Elemente (Kugeln, Linsen) auf der Baustelle einfach durch eine entsprechende Flanschöffnung in den Speicher eingebracht. Diese verteilen sich dann automaisch zwischen den beiden horizontal eingebrachten Lochblechen. Diese " Speicher" verfügen über Inhalte von 500 Liter bis zu 10.000 Liter, was Speicherkapazitäten von 25 kWh bis 500 kWh entspricht.
Die Kunststofflinsen ("HeatSels") oder Kunststoffkugeln bestehen aus einem für den Anwendungsfall und Temperaturbereich eingestelltem Eutektikum/ Salzhydrat. Das PCM (Phase Change Material) befindet sich in luftdicht verschweißten Linsen/Kugeln mit einer speziellen Geometrie aus Kunststoff (HDPE). Diese Geometrie garantiert einen schnellen und effektiven Phasenwechsel des Materials im Inneren der Kunststofflinsen/-kugeln. Die Geometrie der Linsen ist patentiert. Die Linsen/Kugeln werden mit Hilfe des umlaufenden Wasser-Frostschutzgemisches der Kälteanlage im Ladebetrieb gefroren bzw. im Entladebetrieb wieder geschmolzen. Dieser Vorgang erfolgt bei nahezu konstanter Temperatur und kann ohne Verschleiß beliebig oft wiederholt werden.
Der PCM-Latentspeicher hat ein sehr weites Anwendungsgebiet. Er kann z. B. als thermischer Zwischenspeicher für Kälte aus günstigem Strom (Überschuss einer PV-Anlage, negative Regelenergie) oder als Reserve und Rückhaltung für Lastspitzen oder Notfallversorgungen dienen. Mit einem PCM-Latentspeicher kann die Effizienz und die Versorgungssicherheit eines Systems erhöht werden.
Der Ladebetrieb eines PCM-Latentspeichers bei der Kombination mit Strom ist immer dann sinnvoll, wenn günstige und umweltfreundlich erzeugte elektrische Energie zur Verfügung steht. Besonders bei Niedrigstromtarifen oder zum Beispiel bei Überkapazitäten einer Photovoltaik- oder Windkraftanlage (oder der Speicherung von negativer Regelenergie). Für Kälte- und Klimaanlagen steht dann nachts, durch Abschmelzen des PCM-Latentspeichers, die tagsüber emissionsfreie und umweltschonend erzeugte Kältemenge zur Kühlung zur Verfügung.